JP2014534587A - 中性ビームの特徴付けのための診断方法および装置ならびにそれによるプロセス制御 - Google Patents

Abstract

粒子ビームを特徴付ける装置および方法は、粒子ビームを減圧筐体の中央領域で受け取り、筐体から熱的に分離されるビームストライクに対して受け取ったビームを衝突させ、衝突ビームによるビームストライクの温度範囲を測定し、受け取ったビームによる筐体内の圧力変化を測定し、測定された温度範囲と測定された圧力変化とを処理してビームの特徴を判定することを提供する。【選択図】図５

Description

本発明は概して、加速ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ、加速されたガスクラスタイオンビーム）から得られる（解離させる、あるいは部分的に解離させることのできる）加速中性ビーム（加速された中性ビーム）を特徴付ける診断方法および装置に関する。また、本発明は、加速ガスクラスタイオンビームから得られる（解離させる、あるいは部分的に解離させることのできる）加速中性ビームの照射によるワークピース（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ、被加工物）処理のための線量測定を制御する方法および装置に関する。

イオンは、その電荷が電界および磁界による操作を容易にするために多数のプロセスで長い間採用されてきた。これにより、処理が非常に柔軟になる。しかしながら、用途によっては、どのイオン（ＧＣＩＢ中のガスクラスタイオンを含む）にも固有の電荷が処理表面に望ましくない作用を及ぼす場合がある。ＧＣＩＢは、単独のまたは小さな複数電荷を有するガスクラスタイオンが従来のイオン（単独の原子、分子、または分子断片）に比べてずっと大きな質量流の移送と制御を可能にするという点で、従来のイオンビームを越える明確な利点を備える（クラスタは数百または数千の分子から成ることがある）。特に、絶縁性材料の場合、イオンを使用して処理される表面は蓄積電荷の急な放出、および材料の電界誘発ストレスのダメージの生成（これも蓄積電荷から生じる）から生じる電荷誘発損傷を受けることが多い。このような多くのケースでは、ＧＣＩＢは質量当たりの電荷が比較的低いために有益であるが、場合によってはターゲット荷電問題を排除できないことがある。さらに、中〜高電流イオンビームは、長距離にわたり適切に合焦されたビームの移送を阻む傾向にある大きな空間電荷誘発脱焦を受けることがある。ここでも、従来のイオンビームに比べて質量当たりの電荷が低いために、ＧＣＩＢは利点を有するが、空間電荷移送問題を完全に排除できていない。

中性分子または原子ビームの使用は表面処理用途や無空間電荷ビーム移送では有効であるが、エネルギーが通常原子または分子当たり約数ミリ電子ボルトであるために処理能力が限られるノズルジェットの場合を除き、中性分子または原子の強力なビームを生成するのは容易でも経済的でもないという事実から、別の需要または機会の例が生じる。多数の用途、たとえば清掃、エッチング、平滑化、蒸着、非晶質化を簡易化する、あるいは表面化学作用を生成するために表面または浅い表面下の結合を解くことが望ましい場合など、よりエネルギーの大きな中性粒子が有益または必要であろう。このような場合、粒子当たり約１ｅＶ〜最大数千ｅＶからのエネルギーが有効である場合が多い。加速荷電ＧＣＩＢをまず形成し、次にビームの少なくとも一部を中性化し、あるいは中性化の準備をし、荷電部分と未荷電部分とを分離することによって、上記の中性ビームを形成する方法および装置を本願で説明する。ＧＣＩＢ処理は多数の用途で首尾よく採用されてきたが、ＧＣＩＢまたはその他の現状の方法および装置では十分に満たされていない新たなおよび既存の用途が存在し、そこでは加速中性ビームが優れた成果をもたらし得る。たとえば、良くある状況で、ＧＣＩＢは、最初はやや粗い表面を原子レベルで劇的に平滑化できるが、最終的に達成可能な平滑化は所望の平滑化に達しないことが多く、状況によっては、ＧＣＩＢ処理が中程度に平滑な表面をさらに平滑化するのではなく粗くすることがある。

「クラスタサイズは残留ガスとの衝突後におけるガスクラスタイオンのエネルギーおよび速度分布に依存する」Ｔｏｙｏｄａ、Ｎ．ら、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆ Ｍｅｔｈ．ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ ２５７（２００７）、６６２頁〜６６５頁、

歴史的に見て、従来のイオンビームおよびＧＣＩＢがワークピース処理に利用される際、時間をかけて統合されたワークピースでビーム電流の測定を採用する処理線量測定法を使用し、処理面積のサイズを考慮に入れてイオン／ｃｍ^２の線量を判定することによって処理結果の反復性が達成されてきた。線量（イオン／ｃｍ^２）とビームエネルギーを制御することによって、ほとんどの処理で良好な反復性が達成される。所望の処理結果（ワークピース温度変移や処理中に発生するビーム方向の制限など）を達成するためにその他の要因を制御しなければならないことが多いが、大抵の場合、線量（イオン／ｃｍ^２）とビームエネルギーは反復可能な結果をもたらすために制御される主要な処理パラメータである。

中性ビームおよび解離中性ビームでは、ビーム粒子が荷電されていないことで、それらの束（ｆｌｕｘ）を現在の測定値によって判定することができないため、許容可能な処理結果が処理線量の精密な制御に依存するときは何らかの他の線量測定が必要とされる。

したがって、本発明の目的は、中性ビームおよび解離中性ビームを特徴付ける診断方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、反復可能なワークピース処理をもたらすより精密な処理線量測定を可能にする程度にまで、中性ビームおよび解離中性ビームを特徴付ける診断方法および装置を提供することである。

発明の概要
本発明は、ワークピース処理制御用の改善された線量測定を可能にするように、中性ビームまたは解離中性ビームを特徴付けるために組み合わされたセンサとセンサによる測定値との組み合わせの使用に関する。

従来のエネルギーイオン、加速荷電原子または分子のビームは、半導体装置の接合を形成する、スパッタリングにより表面を変質させる、薄膜の特性を変更するために広く利用されている。従来のイオンと異なり、ガスクラスタイオンは、標準的な温度および圧力下ではガス状の（一般的には、たとえば酸素、窒素、またはアルゴンなどの不活性ガスだが、ガスクラスタイオンを生成する任意の凝縮性ガスが使用可能である）材料の多数の（標準的な分布は数百〜数千、平均値は数千）弱く結合した原子または分子のクラスタから形成され、各クラスタは一つまたはそれ以上の電荷を共有し、大きな電位差（約３ｋＶ〜約７０ｋＶまたはそれ以上）により共に加速されて高い総エネルギーを得る。ガスクラスタイオンの形成および加速後、それらの電荷状態は変更させることができる、あるいは変更する（さらには中性化する）結果、より小さなクラスタイオンまたはモノマーイオン、および／またはより小さな中性化クラスタおよび中性化モノマーに断片化される、あるいは断片化を誘発されることがあるが、大きな電位差を通じて加速されるために比較的高い速度およびエネルギーを維持する傾向があり、エネルギーは断片全体に分配される。

緩やかに結合されているガスクラスタイオン（または中性ガスクラスタ）は表面への衝撃で分解し、加速ガスクラスタイオンの総エネルギーは構成原子間で共有される。このエネルギー共有のため、クラスタ内の個々のモノマーは同様に加速された従来のイオンで見られる場合よりも（分解後）ずっとエネルギーが小さく、その結果、加速ガスクラスタの高い総エネルギーにもかかわらず原子はずっと浅くしか浸透しない。本願で使用されるように、「ＧＣＩＢ」および「ガスクラスタイオンビーム」という用語は、イオン化ビームおよびイオンだけでなく、粒子の一部がイオン化されていないビームも包含することを目的とする。「ＧＣＩＢ」と「ガスクラスタイオンビーム」という用語は、非クラスタ化イオンおよび／または中性粒子を含んでいる場合でも、ガスクラスタイオンを含むすべてのビームを包含することを目的とする。本願で使用されるように、「中性ビーム」という用語は、加速ガスクラスタイオンビームから得られる中性ガスクラスタおよび／または中性モノマーのビームを意味することを目的とし、加速はガスクラスタイオンビームの加速から生じる。本願で使用されるように、「解離中性ビーム」という用語は、加速ガスクラスタイオンビームから得られる加速中性モノマーで実質上構成され、加速がガスクラスタイオンの加速から生じるビームを意味することを目的とする。本願で使用されるように、「モノマー」という用語は単独の原子または単独の分子のいずれも等しく指す。「原子」、「分子」、「モノマー」という用語は互換可能に使用することができ、当該ガスの特徴となる適切なモノマー（クラスタの成分、クラスタイオンの成分、または原子または分子）すべてを指す。たとえば、アルゴンなどの一原子ガスを原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ単独の原子を意味する。同様に、窒素のような二原子ガスの場合、原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ二原子分子を意味する。さらに、ＣＯ_２のような分子ガスを原子、分子、またはモノマーに関して言及することができ、それらの用語はそれぞれ３つの原子分子などを意味する。これらの決まりは、ガス状の一原子、二原子、または分子のいずれであるかに関係なくガスおよびガスクラスタまたはガスクラスタイオンを単純に概説する際に使用される。

加速ガスクラスタイオンが完全に分離されて中性化されると、結果として生じる中性モノマーは、加速した時点における最初のガスクラスタイオンを含んだモノマーの数Ｎ_１で最初の加速ガスクラスタイオンの総エネルギーを割ったものにほぼ等しいエネルギーを有する。このように分離された中性モノマーは、ガスクラスタイオンの最初の加速エネルギーと加速時のガスクラスタのサイズとに応じて、約１ｅＶ〜数十、さらには数千ｅＶものエネルギーを有する。このように分離された中性加速モノマーの処理効果は、ワークピースの所与の表面積に衝突するモノマーの数と、該モノマーに関連するエネルギーの両方に依存する。

ガスクラスタイオンビームは、公知の技術によりワークピースを照射する目的で生成および送信される。照射用のＧＣＩＢの経路に対象を保持し、対象を操作して対象の複数の部分を照射できるようにするための様々な種類のホルダが当分野において公知である。中性ビームと解離中性ビームを、本願に教示する方法によりワークピースを照射するために生成および送信することができる。

本発明は、様々な種類の表面および浅い表面の材料処理に採用することができ、多数の用途で従来のＧＣＩＢ処理よりも優れた性能を発揮できる、加速ガスクラスタイオンビーム加速中性ガスクラスタおよび／または好ましくはモノマービームから得られる高ビーム純度方法およびシステムを採用することができる。これは、約１ｅＶ〜数千ｅＶもの範囲のエネルギーを有する粒子を備えた、十分に集束および加速された強力な中性モノマービームを提供することができる。これは、強力な中性ビームを形成するために簡易で比較的安価な装置では非現実的であったエネルギー範囲である。

これらの加速中性ビームは、まず従来の加速ＧＣＩＢを形成し、次に、ビームに不純物を導入しない方法および動作条件によって部分的にまたはほぼ全部を分離してから、ビームの残りの荷電部分を中性部分と分離することによって生成され、結果として生じる加速中性ビームがワークピース処理用に使用される。ガスクラスタイオンの分離の程度に応じて、生成される中性ビームは中性ガスモノマーとガスクラスタの混合物とすることができる、あるいは、すべてまたはほぼすべてが中性ガスモノマーから実質的に成ることができる。中性ビーム内の小サイズのクラスタの存在が用途によっては望ましくない作用を引き起こすことが知られているために、加速中性ビームは解離中性ビームであることが望ましい。

本発明の方法および装置によって生成することのできる中性ビームおよび解離中性ビームの利点は、ＧＣＩＢを含む全イオン化ビームで一般的に生じるように、ビーム輸送電荷による電気絶縁性材料表面の荷電によって材料に損傷を与えずに、電気絶縁性材料を処理する際に使用できることである。たとえば、半導体やその他の電子処理用途では、イオンが酸化物や窒化物などの薄誘電体膜を損傷または破壊するような荷電の原因となることが多い。中性ビームおよび解離中性ビームの使用により、イオンビームが表面またはその他の荷電作用による望ましくない副作用を起こしうるその他の用途において、ポリマー、誘電体、および／またはその他の電気絶縁性または高抵抗性材料、被覆、膜を良好にビーム処理することができる。たとえば、（制限なく）抗腐食コーティング処理や有機膜の照射架橋および／またはポリマー化などである。別の例では、中性ビームの誘発するポリマーまたはその他の誘電材料の改質（たとえば、殺菌、平滑化、表面生体適合性の向上、付着の向上、および／または薬剤の溶出速度の制御）を通じて、上記材料を埋め込み用医療装置および／またはその他の医療／手術用途で使用することができる。他の例は、上記ビームがたとえば粗度、平滑性、親水性、生体適合性などの表面特徴を向上させるのに使用することができる、ガラス、ポリマー、およびセラミック生体培養実験機器および／または環境サンプリング表面の中性ビーム処理である。

加速中性ビームまたは解離中性ビームを本願に記載の方法および装置によって形成できる親ＧＣＩＢ（Ｐａｒｅｎｔ ＧＣＩＢ、元のＧＣＩＢ）はイオンを含んでいるため、従来のイオンビーム技術を用いて所望のエネルギーまで容易に加速され、容易に合焦される。その後の荷電イオンと中性粒子との解離および分離後、中性ビーム粒子は集束軌道を維持する傾向があり、良好な作用を保ち、長距離を移送させることができる。

ジェット内の中性ガスクラスタは、電子衝突によってイオン化されると、加熱および／または励起される。この結果、イオン化ガスクラスタからモノマーが気化し、加速後、ビームラインを下っていく。また、イオン化装置、アクセラレータ、ビームライン領域でのガスクラスタイオンと背景ガス分子との衝突もガスクラスタイオンを加熱および励起する結果、加速後にガスクラスタイオンからモノマーをさらに発生させる場合がある。これらのモノマー発生機構がＧＣＩＢを形成したものと同じガスの背景ガス分子（および／またはその他のガスクラスタ）と電子との衝撃および／または衝突で誘発されるとき、モノマー発生の際に生じる分離プロセスによって、ビームは汚染されない。

ビームを汚染せずにＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンを分離する（あるいはモノマーの発生を誘発する）ために採用可能な機構は他にもある。これらの機構のうちいくつかも、中性ガスクラスタビーム内の中性ガスクラスタを分離するのに採用することができる。一つの機構は、赤外線またはその他のレーザエネルギーを使用するクラスタ−イオンビームのレーザ照射である。レーザ照射ＧＣＩＢ内のガスクラスタイオンのレーザ誘発加熱はガスクラスタイオンを励起および／または加熱させ、ビームからさらにモノマーを発生させる。もう一つの機構は、放射熱エネルギーフォトンがビームのガスクラスタイオンに衝突するように加熱管にビームを通過させることである。管内の放射熱エネルギーによるガスクラスタイオン誘発加熱の結果、ガスクラスタイオンが励起および／または加熱されて、ビームからさらにモノマーを発生させる。別の機構では、ＧＣＩＢの形成に使用されるソースガス（またはその他の非汚染ガス）と同一のガスまたは混合物のガスジェットにガスクラスタイオンビームを交差させることによって、ガスジェット内のガスのモノマーとイオンビーム内のガスクラスタとが衝突して、ビームのガスクラスタイオンを励起および／または加熱させ、励起されたガスクラスタイオンからさらにモノマーを発生させる。最初のイオン化中の電子衝突、および／またはビーム内の（他のクラスタイオン、またはＧＣＩＢを形成するのに使用されるのと同一のガスの背景ガス分子との）衝突、および／またはレーザまたは熱放射、および／またはＧＣＩＢ分離および／または断片化を生じさせる非汚染ガスの横断ジェット衝突に完全に依存することによって、他の材料との衝突によるビーム汚染が回避される。

ノズルからの中性ガスクラスタジェットが、電子がクラスタをイオン化するように方向付けられるイオン化領域を移動していく間、クラスタは非イオン化状態を保つ、あるいは一つまたはそれ以上の電荷（入射電子によるクラスタからの電子の放射による）の荷電状態ｑを得ることができる。イオン化装置動作状態は、ガスクラスタが特定の荷電状態をとる可能性に影響し、イオン化装置の状態が強力であるほど、より高い荷電状態が達成される可能性が高くなる。高イオン化効率につながるさらに強力なイオン化装置状態は、より高い電子束および／またはより高い（限界内）電子エネルギーをもたらすことができる。いったんガスクラスタがイオン化されると、一般的には、イオン化装置から抽出され、ビームへと集束され、電界を下ることによって加速される。ガスクラスタイオンの加速量は加速電界の大きさを制御することによって容易に制御される。通常、一般的な市販のＧＣＩＢ処理ツールは調節可能な加速電位Ｖ_Ａｃｃ、たとえば一般的に約１ｋＶ〜７０ｋＶ（しかしこの範囲に限定されず、最大２００ｋＶまたはそれ以上のＶ_Ａｃｃが実現可能である）を有する電界によってガスクラスタイオンを加速させる。よって、単独に荷電されたガスクラスタイオンは、１〜７０ｋｅＶ（より大きいＶ_Ａｃｃが使用される場合はそれ以上）の範囲のエネルギーを達成し、複数で荷電された（たとえば、制限なく、荷電状態ｑ＝３電子電荷）ガスクラスタイオンは３〜２１０ｋｅＶ（Ｖ_Ａｃｃがより大きい場合はそれ以上）のエネルギーを達成する。他のガスクラスタイオン荷電状態および加速電位の場合、クラスタ当たりの加速エネルギーはｑＶ_ＡｃｃｅＶである。所与のイオン化効率を有する所与のイオン化装置から、ガスクラスタイオンはゼロ（未イオン化）からたとえば、６などのさらに高い値（またはイオン化装置効率がより高い場合はそれ以上）まで分布された荷電状態を有し、荷電状態分布の最も起こりやすい平均値もイオン化装置効率（電子束および／またはエネルギー）の上昇と共に増加する。イオン化装置効率が高い場合も、イオン化装置で形成されるガスクラスタイオンの数が増える。多くの場合、高効率でイオン化装置を動作する際にＧＣＩＢ処理量が増大する結果、ＧＣＩＢ電流が増加する。このような動作のマイナス面は、中サイズのガスクラスタイオンで生じ得る複数の荷電状態がイオンによる孔および／または粗境界面の形成を引き起こし、これらの作用が処理の目的にとって逆効果に働く場合が多いことである。よって、多数のＧＣＩＢ表面処理法では、イオン化装置動作パラメータの選択は単にビーム電流を最大化するよりも多くの考慮事項を含む傾向がある。プロセスによっては、「圧力セル」（米国特許第７，０６０，９８９号、Ｓｗｅｎｓｏｎらを参照）を採用して、高圧「圧力セル」内でのガス衝突によるビームエネルギーを穏やかにすることによって許容可能なビーム処理性能を得つつ、高イオン化効率でイオン化装置を動作させる。

本発明では、高効率でイオン化装置を動作させることのマイナス面が発生しない。事実、このような動作が好ましいことがある。イオン化装置が高効率で動作するとき、イオン化装置によって生成されるガスクラスタイオンは幅広い荷電状態をとりうる。この結果、イオン化装置とビーム加速電極間の抽出領域ならびに下流ビームにおいて幅広い速度のガスクラスタイオンが生じる。このため、ビーム内のガスクラスタイオン間の衝突頻度が増し、通常は最も大きなガスクラスタイオンが高割合で断片化する。このような断片化はビーム内のクラスタサイズを再分配させ、より小さなクラスタサイズの方に偏向させる。これらのクラスタ断片は新たなサイズ（Ｎ）に比例してエネルギーを保持するため、最初の非断片化ガスクラスタイオンの加速度をほぼ保持しつつエネルギーは小さくなる。衝突後の速度保持に伴うエネルギーの変化は実験で実証されている（たとえば、Ｔｏｙｏｄａ、Ｎ．らの「クラスタサイズは残留ガスとの衝突後におけるガスクラスタイオンのエネルギーおよび速度分布に依存する」、Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．＆ Ｍｅｔｈ．ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂ ２５７（２００７）、６６２〜６６５ページ（非特許文献１）で報告されている）。さらに、断片化はクラスタ断片内の電荷も再配分させる。一部の非荷電断片が生じやすく、複数の荷電ガスクラスタイオンがいくつかの荷電ガスクラスタイオンと場合によってはいくつかの未荷電断片とに断片化されることがある。発明者の理解するところでは、イオン化装置の集束場と抽出領域の設計は、小さなガスクラスタイオンおよびモノマーイオンの集束を推進し、ビーム抽出領域および下流ビームにおけるより大きなガスクラスタイオンとの衝突の可能性を高めることによってガスクラスタイオンの分離および／または断片化に貢献する。

本発明の一実施形態では、イオン化装置、加速領域、ビームラインの背景ガスの圧力は任意で、良好なＧＣＩＢ送信のために通常利用されるより高圧を有するように構成することができる。この結果、ガスクラスタイオンから（最初のガスクラスタイオン化事象から生じる加熱および／または励起が招くよりも）さらにモノマーを発生させることができる。圧力は、ガスクラスタイオンが背景ガス分子との複数の衝突を受けなければならないイオン化装置とワークピース間の十分に短い平均自由行程および十分に長い飛行行程を有するように構成することができる。

Ｎ個のモノマーを含み、荷電状態ｑを有し、Ｖ_Ａｃｃボルトの電位低下を通じて加速された均一ガスクラスタイオンの場合、クラスタはモノマー当たり約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ｉｅＶのエネルギーを有する。ただしＮ_ｉは加速時のクラスタイオン中のモノマーの数である。最も小さなガスクラスタイオンを除けば、イオンとクラスタソースガスと同一のガスの背景ガスモノマーとの衝突の結果、ガスクラスタイオンに約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ｉｅＶが追加して蒸着される。このエネルギーは全ガスクラスタイオンエネルギー（ｑＶ_Ａｃｃ）と比べて比較的小さく、通常はクラスタを励起または加熱させ、クラスタからモノマーをさらに発生させる。このような大きなクラスタと背景ガスとの衝突は滅多にクラスタを断片化せず、クラスタを加熱および／または励起して、気化または類似の機構によってモノマーを発生させると考えられる。励起源から生じたモノマーかガスクラスタイオンからのモノマーかにかかわらず、発生したモノマーはほぼ同一の粒子当たりのエネルギーｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ｉｅＶを有し、モノマーが発生したガスクラスタイオンとほぼ同じ速度と軌道を保持する。このようなモノマーの発生がガスクラスタイオンから生じるとき、最初のイオン化事象、衝突、または放射加熱によるどの励起または加熱から生じたかにかかわらず、大きな残留ガスクラスタイオンと共に電荷が残る可能性が高い。よって、一連のモノマー発生後、大きなガスクラスタイオンは、場合によってはより小さな残留ガスクラスタイオンと共に移動するモノマー群（断片化も生じている場合は数個の場合もある）まで還元させることができる。最初のビーム軌道に沿った共に移動するモノマーはすべて最初のガスクラスタイオンとほぼ同じ速度を有し、それぞれが約ｑＶ_Ａｃｃ／Ｎ_ｉｅＶのエネルギーを有する。小さなガスクラスタイオンの場合、背景ガスモノマーとの衝突エネルギーは小さなガスクラスタを完全に激しく分離させる可能性が高く、このような場合、結果として生じるモノマーがビームと共に移動し続けるのか、あるいはビームから放射されるのかは不確実である。

ＧＣＩＢがワークピースに到達する前に、ビーム中の残りの荷電粒子（ガスクラスタイオン、特に小中サイズのガスクラスタイオンといくらかの荷電モノマーだが、残りの任意の大きなガスクラスタイオンも含む）はビームの中性部分から分離されて、ワークピース処理用に中性ビームだけが残る。

典型的な動作時、処理目標に送達されたフル（荷電プラス中性）ビーム（全量ビーム、ｆｕｌｌ ｂｅａｍ）のパワーに対して中性ビーム成分のパワー部分は約５％〜９５％の範囲であるため、本発明の分離方法および装置によって、フル加速荷電ビームのその運動エネルギーの部分を中性ビームであるターゲットに送達させることができる。

ガスクラスタイオンの分離とそれによる高中性モノマービームのエネルギーの生成は、１）より高い加速電圧で動作することによって推進される。このため、任意の所与のクラスタサイズでのｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増大する。また、２）高イオン化装置効率で動作することによって推進される。これによりｑを増大することによって任意の所与のクラスタサイズのｑＶ_Ａｃｃ／Ｎが増大し、クラスタ間の荷電状態の差により、抽出領域におけるクラスタ−イオン衝突時のクラスタ−イオンが増大する。３）高イオン化装置、加速領域、またはビームライン圧力で動作する、あるいはビームを横断するガスジェット（ガス噴射）で、またはより長いビーム行程で動作することによって推進される。これらはすべて所与のサイズのガスクラスタイオンの場合の背景ガス衝突の可能性を高める。４）ガスクラスタイオンからのモノマーの発生を直接促進するレーザ照射またはビームの放射加熱で動作することによって推進される。５）より高いノズルガス流で動作することによって推進される。この結果、クラスタ化および場合によっては未クラスタ化ガス（クラスタとなっていないガス）のＧＣＩＢ軌道への輸送が推進されて衝突が増し、モノマーをより発生させる。

中性ビームの測定は、ガスクラスタイオンビームの場合簡便である電流測定によって実行することができない。一実施形態では中性ビームパワーセンサは、ワークピースに中性ビームを照射する際に線量測定を簡易化するために使用される。中性ビームセンサはビーム（または任意で、ビームの既知のサンプル）を捕捉する熱センサである。センサの温度上昇速度はセンサのエネルギービーム照射から生じるエネルギー束に関連する。熱測定は、センサで発生するエネルギーの熱再放射による誤差を最小限にとどめるために制限された範囲のセンサ温度下で行わねばならない。ＧＣＩＢプロセスの場合、ビームパワー（ワット）はビーム電流（アンペア）×ビーム加速電圧Ｖ_Ａｃｃに等しい。ＧＣＩＢがある期間（秒）ワークピースを照射すると、ワークピースが受け取るエネルギー（ジュール）はビームパワーと照射時間の積である。拡張領域を処理する際のこのようなビームの処理作用は、領域（たとえば、ｃｍ^２）全体に分散される。イオンビームの場合、照射イオン／ｃｍ^２に関して処理量を明示することが従来から好都合であった。その場合、イオンは加速時に平均荷電状態ｑを有し、各イオンがｑＶ_ＡｃｃｅＶ（ｅＶは約１．６×１０^−１９ジュール）のエネルギーを担持するようにＶ_Ａｃｃボルトの電位差を通じて加速されていることが公知である、あるいは推定される。よって、Ｖ_Ａｃｃによって加速されたイオン／ｃｍ^２で明示される平均荷電状態ｑの場合のイオンビームの線量は、ジュール／ｃｍ^２で表される容易に算出可能なエネルギー量に相当する。本発明で利用されるような加速ＧＣＩＢから得られる加速中性ビームの場合、加速時のｑの値とＶ_Ａｃｃの値は、（後で形成され分離される）ビームの荷電部分と未荷電部分の両方で同一である。ＧＣＩＢの二つ（中性および荷電）部分のパワーは各ビーム部分の質量に比例して分割される。よって、本発明で採用されるような加速中性ビームの場合、等しい面積が等しい時間照射されるとき、中性ビームによって蓄積されるエネルギー量（ジュール／ｃｍ^２）は必然的にフルＧＣＩＢによって蓄積されるエネルギー量よりも小さい。熱センサを使用してフルＧＣＩＢ Ｐ_Ｇのパワーと中性ビームＰ_Ｎのパワー（一般的にはフルＧＣＩＢの約５％〜９５％と考えられる）を測定することによって、中性ビーム処理線量測定で使用される相殺係数を算出することができる。Ｐ_ＮがＰ_Ｇのとき、相殺係数ｋは１／ａである。よって、ワークピースがＧＣＩＢから得られる中性ビームを用いて処理される場合、時間はＤイオン／ｃｍ^２の量を達成するのに必要なフルＧＣＩＢ（荷電部分と中性ビーム部分を含む）の処理時間よりもｋ倍長く設定され、その場合、中性ビームとフルＧＣＩＢの両方によってワークピースに蓄積されるエネルギー量は同一である（ただし、二つのビームの粒子サイズの差異による処理作用の量的差異が原因で、結果は異なるかもしれない）。本願で使用されるように、このようにして相殺される中性ビーム処理線量は、Ｄイオン／ｃｍ^２の量と等価のエネルギー／ｃｍ^２を有すると説明されることがある。イオン化装置またはガスジェットノズルのわずかな差のため、加速前のソースでのクラスタサイズ分布、およびイオン化ガスジェット（イオン化したガス噴射）の荷電状態分布は、設定間および処理ツール間で変動することがある。多くのプロセスにとって、上述の線量測定方法は適切な処理反復性を提供する。いくつかのその他のプロセスの場合、ハードウェアでのこのような変動は、望ましくない大きなプロセス変動と反復性の欠如をもたらす場合がある。このような場合、中性ビームまたは解離中性ビームのより完全な特徴付けが望まれる。

こうした場合、ビームのより複雑な特徴付けは、高度なプロセス反復性にとって必要な正確さを提供する。後述の実施形態では、中性ビームまたは解離中性ビームの完全な特徴付け用の診断方法および装置は、ビーム内の加速中性粒子束と加速中性粒子毎の平均エネルギーの両方の正確な測定値を提供する。解離中性ビームの場合、これは、加速中性モノマー束と、加速中性モノマー毎の平均エネルギーに相当する。親ＧＣＩＢ（ｐａｒｅｎｔ ＧＣＩＢ）の荷電、非荷電、加速、非加速部分のその他各種特性はその方法によって判定され、中性ビームおよび解離中性ビームのワークピース処理用途におけるプロセス反復性を確保するために採用することができる。

図１は、ＧＣＩＢを使用するワークピースの処理用のＧＣＩＢ処理装置１１００の要素を示す概略図である。 図２は、ＧＣＩＢを使用してワークピース処理を行う別のＧＣＩＢ処理装置１２００の要素を示す概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用されている。 図３は、静電偏向板を使用して荷電ビームと非荷電ビームとを分離する、本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置１３００の概略図である。 図４は、中性ビーム測定用に熱センサを使用する、本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置１４００の概略図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る中性ビーム診断および測定用センサ装置１５００の概略図である。 図６は、ビーム診断構成に示される中性ビーム診断および測定用に使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置１６００の概略図である。 図７は、ワークピース処理構成に示される中性ビーム診断および測定用に使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置１６８０の概略図である。 図８Ａは、本発明の方法の一部として生成される圧力トランスデューサの例示の較正曲線を示す図である。 図８Ｂは、本発明の方法の一部として生成される圧力トランスデューサの例示の較正曲線を示す図である。

以下の説明では、簡潔化のため、上述の図の要素符号が、後述の図で説明なく使用される場合がある。同様に、上述の図に関して説明した要素が、後述の図で要素符号または追加の説明なく使用される場合がある。このような場合、類似の符号を付した要素は類似の要素であり、上述の特徴および機能を有し、本図面に示される要素符号を付していない要素の説明は、上述の図面に示される類似の要素と同一の機能を有する類似の要素を指す。

図１はＧＣＩＢ処理装置１１００の概略構造を示す。低圧容器１１０２はノズルチャンバ１１０４、イオン化／加速チャンバ１１０６、処理チャンバ１１０８の３つの流体接続チャンバを有する。３つのチャンバは真空ポンプ１１４６ａ、１１４６ｂ、１１４６ｃによってそれぞれ排気される。ガス保管シリンダ１１１１に保管される圧縮凝縮性ソースガス１１１２（たとえば、アルゴン）はガス測定バルブ１１１３および供給管１１１４を通って停滞チャンバ１１１６へと流れ込む。停滞チャンバ１１１６内の圧力（通常、数気圧）により、放射されたガスはノズル１１１０を介して略低圧の真空に放射され超音波ガスジェット１１１８を形成する。ジェット内の膨張から生じる冷却によって、ガスジェット１１１８の一部はそれぞれが数個から数千個の弱く結合した原子または分子から成るクラスタへと凝結する。ガススキマ開口１１２０は、クラスタジェットに凝結されなかったガス分子とクラスタジェットとを部分的に分離することによってガス流を下流チャンバへと制御するために採用される。下流チャンバ内の過剰な圧力は、ガスクラスタイオンの移送と、ビーム形成および送信のために採用され得る高電圧の管理とを阻害するために有害である。
適切な凝縮性ソースガス１１１２はアルゴンおよびその他の凝縮性希ガス、窒素、二酸化炭素、酸素、およびその他多くのガスおよび／またはガス混合物を含むが、それらに限定されない。超音波ガスジェット１１１８内のガスクラスタの形成後、ガスクラスタの少なくとも一部はイオン化装置１１２２でイオン化され、該装置は通常、一つまたはそれ以上の白熱フィラメント１１２４（またはその他の適切な電子源）からの熱放射により電子を生成して、電子を加速および方向付けてガスジェット１１１８内のガスクラスタと衝突させる電子衝撃イオン化装置である。電子とガスクラスタとの衝突によりガスクラスタの一部から電子が放射され、それらのクラスタを正イオン化させる。いくつかのクラスタは放射される二つ以上の電子を有し、複数でイオン化することができる。通常、加速後の電子数とそのエネルギーの制御は、起こり得るイオン化の数と、ガスクラスタの複数イオン化と単独イオン化との割合に影響を及ぼす。サプレッサ電極１１４２および接地電極１１４４はイオン化装置出口開口１１２６からクラスタイオンを抽出し、それらを所望のエネルギー（通常は数百Ｖ〜数十ｋＶの加速電位）まで加速し集束させてＧＣＩＢ１１２８を形成する。ＧＣＩＢ１１２８がイオン化装置出口開口１１２６とサプレッサ電極１１４２間を横断する領域を「抽出領域」と称する。ガスクラスタを含有する超音波ガスジェット１１１８の軸（ノズル１１１０で決定）はＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と略同一である。フィラメント電源１１３６は、イオン化装置フィラメント１１２４を加熱するフィラメント電圧Ｖ_ｆを供給する。アノード電源１１３４は、フィラメント１１２４から放射される熱電子を加速して、熱電子にクラスタ含有ガスジェット１１１８を照射させてクラスタイオンを生成するアノード電圧Ｖ_Ａを供給する。抑制電源１１３８はサプレッサ電極１１４２にバイアスをかける抑制電圧Ｖ_ｓ（数百〜数千ボルト）を供給する。アクセラレータ電源１１４０は、Ｖ_Ａｃｃに等しい総ＧＣＩＢ加速電位となるように、サプレッサ電極１１４２および接地電極１１４４に対してイオン化装置１１２２にバイアスをかける加速電圧Ｖ_Ａｃｃを供給する。サプレッサ電極１１４２はイオン化装置１１２２のイオン化装置出口開口１１２６からイオンを抽出し、不所望の電子が下流からイオン化装置１１２２に入るのを防止し、集束ＧＣＩＢ１１２８を形成する役割を果たす。

ＧＣＩＢ処理によって処理されるワークピース１１６０、（たとえば）医療装置、半導体材料、光学素子、または他のワークピースは、ＧＣＩＢ１１２８の経路に配置されるワークピースホルダ１１６２に保持される。ワークピースホルダは処理チャンバ１１０８に装着されているが、電気絶縁体１１６４によって電気的に絶縁されている。よって、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２に衝突するＧＣＩＢ１１２８は導線１１６８を通って線量プロセッサ１１７０へと流れる。ビームゲート１１７２は、軸１１５４に沿ったワークピース１１６０までのＧＣＩＢ１１２８の送信を制御する。通常、ビームゲート１１７２は（たとえば）電気的、機械的、または電気機械的であるリンク機構１１７４によって制御される開放状態および閉鎖状態を有する。線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２の開放／閉鎖状態を制御して、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２が受け取るＧＣＩＢの線量を管理する。動作時、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開放させて、ワークピース１１６０にＧＣＩＢの照射を始める。通常、線量プロセッサ１１７０はワークピース１１６０とワークピースホルダ１１６２に到達するＧＣＩＢ電流を統合して、積算ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量で、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉鎖して、所定の線量に達した時点で処理を終了する。

図２は、ＧＣＩＢを使用するワークピース処理用の別のＧＣＩＢ処理装置１２００の要素を示す概略図であり、イオンビームの走査とワークピースの操作が採用されている。ＧＣＩＢ処理装置１２００によって処理されるワークピース１１６０は、ＧＣＩＢ１１２８の経路に配置されるワークピースホルダ１２０２に保持される。ワークピース１１６０の均一処理を達成するため、ワークピースホルダ１２０２は均一の処理に必要とされるようにワークピース１１６０を操作すべく設計される。

非平面状、たとえば、球状またはカップ状、円形、不規則、またはその他の非平坦な構造を有するワークピース表面は、ビーム入射に対してある範囲内の角度で配向させて、ワークピース表面にとって最適のＧＣＩＢ処理を達成することができる。処理の最適化と均一性のため、ワークピースホルダ１２０２は、処理対象の非平面上表面全体がＧＣＩＢ１１２８と適切に整合して配向されるように完全に連接させることができる。より具体的には、処理されるワークピース１１６０が非平面状である場合、ワークピースホルダ１２０２は連接／回転機構１２０４によって回転運動１２１０で回転させ、連接運動１２１２で連接させることができる。連接／回転機構１２０４は縦軸１２０６（ＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４と同軸である）を中心とした３６０度の装置回転と、軸１２０６と垂直な軸１２０８を中心とした十分な連接とを可能にし、ワークピース表面をビーム入射の所望の範囲内に維持する。

特定の状況下では、ワークピース１１６０のサイズに応じて、走査システムは、大きなワークピースに均一な照射を行うことが望ましい。ＧＣＩＢ処理には必要ない場合が多いが、直交した二対の静電走査板１１３０および１１３２が使用されて、拡張処理領域全体にラスタまたはその他の走査パターンを生成する。このようなビーム走査が実行されると、走査ジェネレータ１１５６はリード対１１５９を通じて対の走査板１１３２にＸ軸走査信号電圧を、リード対１１５８を通じて対の走査板１１３０にＹ軸走査信号電圧を供給する。一般的に、走査信号電圧は、ＧＣＩＢ１１２８をワークピース１１６０の表面全体を走査する走査ＧＣＩＢ１１４８に集束させる、異なる周波数の三角波である。走査ビーム画定開口１２１４は走査領域を画定する。走査ビーム画定開口１２１４は導電性であり、低圧容器１１０２の壁に電気的に接続され、支持部材１２２０によって支持される。ワークピースホルダ１２０２は可撓導線１２２２を介して、ワークピース１１６０およびワークピースホルダ１２０２を囲み、走査ビーム画定開口１２１４を流れる全電流を回収するファラデーカップ１２１６に電気的に接続される。ワークピースホルダ１２０２は連接／回転機構１２０４から電気的に隔離され、ファラデーカップ１２１６は絶縁体１２１８によって低圧容器１１０２から電気的に隔離され低圧容器１１０２上に搭載される。したがって、走査ビーム画定開口１２１４を通過する走査ＧＣＩＢ１１４８からの全電流はファラデーカップ１２１６に回収されて、導線１２２４を通って線量プロセッサ１１７０まで流れる。動作時、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を開放して、ワークピース１１６０のＧＣＩＢ照射を開始する。通常、線量プロセッサ１１７０はワークピース１１６０およびワークピースホルダ１２０２とファラデーカップ１２１６に到達するＧＣＩＢ電流を統合し、単位面積当たりの積算ＧＣＩＢ照射線量を算出する。所定の線量で、線量プロセッサ１１７０はビームゲート１１７２を閉鎖して、所定線量が達成された時点で処理を終了する。所定線量の蓄積中、ワークピース１１６０は、所望の表面全体の処理を確保するように連接／回転機構１２０４によって操作することができる。

図３は、本発明の実施形態に係る中性ビーム処理のために採用可能な典型例としての中性ビーム処理装置１３００の概略図である。該装置は、ＧＣＩＢの荷電部分と非荷電部分とを分離する静電偏向板を使用する。ビームラインチャンバ１１０７はイオン化装置、アクセラレータ領域、ワークピース処理領域を封入する。ビームラインチャンバ１１０７は高導電性を有するため、圧力は全体を通じてほぼ一定である。真空ポンプ１１４６ｂはビームラインチャンバ１１０７を排気する。ガスは、ガスジェット１１１８によって運ばれるクラスタ化ガスおよび非クラスタ化ガスの形状で、およびガススキマ開口１１２０を通じて漏れる追加の未クラスタガスの形状でビームラインチャンバ１１０７に流れ込む。圧力センサ１３３０は、ビームラインチャンバ１１０７から電気ケーブル１３３２を介して圧力センサコントローラ１３３４に圧力データを送信し、そこでビームラインチャンバ１１０７内の圧力が測定および表示される。ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は、ビームラインチャンバ１１０７へのガス流と真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度とのバランスに依存する。ガススキマ開口１１２０の径、ノズル１１１０を通るソースガス１１１２流、真空ポンプ１１４６ｂのポンピング速度を選択することによって、ビームラインチャンバ１１０７内の圧力は設計とノズル流とによって決定される圧力Ｐ_Ｂに釣り合う。接地電極１１４４からワークピースホルダ１１６２へのビーム飛行行程はたとえば１００ｃｍである。設計および調節によって、Ｐ_Ｂは約６×１０^−５トル（８×１０^−３パスカル）とすることができる。よって、圧力とビーム路長の積は約６×１０^−３トル−ｃｍ（０．８パスカル−ｃｍ）であり、ビームのガス目標厚は平方センチメートル当たり約１．９４×１０^１４のガス分子であり、これはＧＣＩＢ１１２８でガスクラスタイオンを分離するのに有効であると考えられる。Ｖ_Ａｃｃはたとえば３０ｋＶとすることができ、ＧＣＩＢ１１２８はその電位で加速される。一対の偏向板（１３０２および１３０４）がＧＣＩＢ１１２８の軸１１５４を中心にして配置される。偏向板電源１３０６は導線１３０８を介して正の偏向電圧Ｖ_Ｄを偏向板１３０２に供給する。偏向板１３０４は導線１３１２によって、電流センサ／ディスプレイ１３１０を通じて電気的に接地させることができる。偏向板電源１３０６は手動で制御可能である。Ｖ_Ｄは、ゼロ電圧からＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４上に完全に偏向させるのに十分な電圧（たとえば数千ボルト）まで調節することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４で偏向すると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄは導線１３１２と表示用の電流センサ／ディスプレイ１３１０とを流れる。Ｖ_Ｄがゼロのとき、ＧＣＩＢ１１２８は偏向されずにワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２へと移動する。ＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂはワークピース１１６０およびワークピースホルダ１１６２上で回収され、導線１１６８および電流センサ／ディスプレイ１３２０を通って流れ接地する。Ｉ_Ｂが電流センサ／ディスプレイ１３２０に示される。ビームゲート１１７２はビームゲートコントローラ１３３６によってリンク機構１３３８を介して制御される。ビームゲートコントローラ１３３６は手動で、あるいは電気的または機械的に所定値によって時間を調整され、所定のインターバルでビームゲート１１７２を開放させることができる。使用時、Ｖ_Ｄはゼロに設定され、ワークピースホルダに衝突するビーム電流Ｉ_Ｂが測定される。所与のＧＣＩＢプロセス法での過去の経験に基づき、所与のプロセスでの最初の照射時間は、測定された電流Ｉ_Ｂに基づき決定される。Ｖ_Ｄは、すべての測定ビーム電流がＩ_ＢからＩ_Ｄに移るまで増加され、Ｉ_ＤはＶ_Ｄの増加と共に増加しない。この時点で、最初のＧＣＩＢ１１２８のエネルギー分離成分を備える中性ビーム１３１４がワークピースホルダ１１６２を照射する。その後、ビームゲート１１７２は閉鎖されて、ワークピース１１６０が従来のワークピース装填手段（図示せず）によってワークピースホルダ１１６２に配置される。ビームゲート１１７２は所定の最初の放射期間、開放される。照射インターバル後、ワークピースを調査し、測定されたＧＣＩＢビーム電流Ｉ_Ｂに基づき中性ビーム処理時間を較正するように処理時間を必要に応じて調節することができる。このような較正プロセス後、追加のワークピースは較正被爆期間を用いて処理することができる。

中性ビーム１３１４は、加速ＧＣＩＢ１１２８の最初のエネルギーの反復可能部分を含む。最初のＧＣＩＢ１１２８の残りのイオン化部分１３１６は中性ビーム１３１４から除去され、接地偏向板１３０４によって回収される。中性ビーム１３１４から除去されるイオン化部分１３１６はモノマーイオンと中サイズのガスクラスタイオンを含むガスクラスタイオンとを含むことができる。イオン化プロセス中のクラスタ加熱、ビーム間衝突、背景ガス衝突、その他の原因（すべてがクラスタの侵食を招く）によるモノマー気化機構のため、中性ビームはほぼ中性モノマーから成り、分離された荷電粒子は大半がクラスタイオンである。発明者は、中性ビームの再イオン化と結果として生じるイオンの電荷質量比の測定とを含む適切な測定によってこのことを確認した。

図４は、本発明の実施形態で採用され得るような、たとえば中性ビームの生成の際に使用される中性ビーム処理装置１４００の概略図である。該装置は、中性ビームの測定用に熱センサを使用する。熱センサ１４０２は低伝熱性アタッチメント１４０４を介して、旋回軸１４１２に装着された回転支持アーム１４１０に装着される。アクチュエータ１４０８は可逆性回転運動１４１６を介して、熱センサ１４０２が中性ビーム１３１４またはＧＣＩＢ１１２８を捕捉する位置と熱センサ１４０２がビームを捕捉しない停止位置１４１４との間で熱センサ１４０２を移動させる。熱センサ１４０２が停止位置（１４１４で示す）にあるとき、ＧＣＩＢ１１２８または中性ビーム１３１４はワークピース１１６０および／またはワークピースホルダ１１６２の照射用の経路１４０６に沿ったままである。熱センサコントローラ１４２０は熱センサ１４０２の配置を制御し、熱センサ１４０２によって生成される信号の処理を実行する。熱センサ１４０２は電気ケーブル１４１８を通じて熱センサコントローラ１４２０と連通する。熱センサコントローラ１４２０は電気ケーブル１４２８を通じて線量測定コントローラ１４３２と連通する。ビーム電流測定装置１４２４は、ＧＣＩＢ１１２８がワークピース１１６０および／またはワークピースホルダ１１６２に衝突したときに導線１１６８に流れるビーム電流Ｉ_Ｂを測定する。ビーム電流測定装置１４２４は電気ケーブル１４２６を介して線量測定コントローラ１４３２にビーム電流測定信号を伝達する。線量測定コントローラ１４３２はリンク機構１４３４を介して送信される制御信号に従い、ビームゲート１１７２の開放および閉鎖状態の設定を制御する。線量測定コントローラ１４３２は電気ケーブル１４４２を介して偏向板電源１４４０を制御し、ゼロ電圧とＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６を偏向板１３０４に完全に偏向させるのに十分な正電圧との間で偏向電圧Ｖ_Ｄを制御することができる。ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１３１６が偏向板１３０４に衝突すると、結果として生じる電流Ｉ_Ｄが電流センサ１４２２によって測定され、電気ケーブル１４３０を介して線量測定コントローラ１４３２に伝達される。動作時、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２を停止位置１４１４に設定し、ビームゲート１１７２を開放し、フルＧＣＩＢ１１２８がワークピースホルダ１１６２および／またはワークピース１１６０に衝突するようにＶ_Ｄをゼロに設定する。線量測定コントローラ１４３２はビーム電流測定装置１４２４から送信されるビーム電流Ｉ_Ｂを記録する。次に、線量測定コントローラ１４３２は、熱センサコントローラ１４２０から中継されるコマンドに従いＧＣＩＢ１１２８を捕捉するように熱センサ１４０２を停止位置１４１４から移動させる。熱センサコントローラ１４２０はセンサの熱容量と、温度が所定の測定温度（たとえば、７０゜Ｃ）に上昇したときの熱センサ１４０２の測定した温度上昇速度とに基づき算出されるＧＣＩＢ１１２８のビームエネルギー束を測定し、算出したビームエネルギー束を線量測定コントローラ１４３２に伝達し、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２によって測定されたビームエネルギー束とビーム電流測定装置１４２４によって測定された対応するビーム電流の較正を算出する。次に、線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２を停止位置１４１４に停止させることによって熱センサを冷却させ、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分による電流Ｉ_Ｄがすべて偏向板１３０４に伝達されるまで、正Ｖ_Ｄを偏向板１３０２に印加するよう命じる。電流センサ１４２２は対応するＩ_Ｄを測定し、それを線量測定コントローラ１４３２に伝える。また、線量測定コントローラは熱センサ１４０２を停止位置１４１４から移動させて、熱センサコントローラ１４２０を介して中継されるコマンドに従い中性ビーム１３１４を捕捉する。熱センサコントローラ１４２０は予め決定された較正係数と温度が所定の測定温度まで上昇したときの熱センサ１４０２の温度上昇速度とを用いて中性ビーム１３１４のビームエネルギー束を測定し、中性ビームエネルギー束を線量測定コントローラ１４３２に伝達する。線量測定コントローラ１４３２は熱センサ１４０２で、中性ビーム１３１４エネルギー束の熱測定値とフルＧＣＩＢ１１２８エネルギー束の熱測定値の比である中性ビーム部分を算出する。通常動作時、約５％〜約９５％の中性ビーム部分が達成される。処理開始前に、線量測定コントローラ１４３２は電流Ｉ_Ｄも測定し、Ｉ_ＢとＩ_Ｄの最初の値間の電流比を決定する。処理中、最初のＩ_Ｂ／Ｉ_Ｄ比を掛ける瞬間Ｉ_Ｄ測定をＩ_Ｂの連続測定の代わりに使用して、線量測定コントローラ１４３２による処理の制御中に線量測定のために使用することができる。よって、線量測定コントローラ１４３２は、あたかもフルＧＣＩＢ１１２８の実際のビーム電流測定が利用可能であるかのように、ワークピース処理中のビーム変動を相殺することができる。線量測定コントローラは中性ビーム部分を使用して、特定のビームプロセスの所望の処理時間を計算する。このプロセス中、処理時間は、プロセス中のビーム変動の修正のために較正測定値Ｉ_Ｄに基づき調節することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る中性ビーム診断測定のセンサ装置１５００の概略図である。センサ装置１５００は複数のセンサを有し、イオンビームまたは中性ビームのいずれかの特徴を測定するために使用することができる。使用時、センサ装置はビーム１５１４の軸１１５４と位置合わせされる。ビーム１５１４はたとえば、ＧＣＩＢ、中性ビーム、または解離中性ビームとすることができる。センサ装置１５００の本体は、内部１５０４と入口開口１５３６とを有するファラデーカップ１５０２である。ビーム１５１４は入口開口１５３６を通ってファラデーカップ１５０２に入り、受け座１５１６に入射する。金属受け座１５１６は電導性および伝熱性を有し、熱容量を有する。受け座１５１６は、１つまたはそれ以上の電導性および伝熱性支持部１５１８ａおよび１５１８ｂによってセンサ装置１５００の本体を形成するファラデーカップ１５０２に電気的および熱的に接続される（たとえば、限定ではなく、２つが図示されており、参照符号１５１８ａおよび１５１８ｂは１つまたはそれ以上の支持部を表すものと解釈される）。支持部１５１８ａおよび１５１８ｂは金属製であり、低い電気抵抗と中程度の熱抵抗（１つまたはそれ以上の支持部全部との並列接続を参照）を有するように設計され、受け座１５１６を機械的に支持する役割も果たす。１つまたはそれ以上の支持部１５１８ａおよび１５１８ｂと比較して、受け座１５１６とファラデーカップ１５０２はいずれも非常に高い伝熱性を有する。好ましくは、支持部１５１８ａおよび１５１８ｂを装着するファラデーカップ１５０２の部分は、狭い温度変化で熱を吸収できるように熱的に強固である。ファラデーカップ１５０２の外部は大気に露出させることができるため、大気による冷却の恩恵を受ける。任意で、図示しないが、ファラデーカップ１５０２は動的に冷却する、あるいは固定温度、たとえば、２５℃で温度を維持するように温度調節することができる。入口開口１５３６に入るビーム１５１４は受け座１５１６に入射する。ビーム１５１４がイオン（ＧＣＩＢ）を備える場合、ビーム電流Ｉ_Ｂは受け座１５１６とファラデーカップ１５０２によって回収され、導線１５１２を通って外部ビーム電流測定システムに伝送することができる。ビーム１５１４が中性ビームまたは解離中性ビームである場合、ゼロビーム電流Ｉ_Ｂが収集される。よって、センサ装置１５００のファラデーカップ機能は中性ビームまたは解離中性ビーム測定および特徴付けには必要とされず、ビーム電流Ｉ_Ｂを測定する導線１５１２とその関連装置は必要ない。本明細書での説明は同じ装置がイオンを含むビームを測定できることが所望されることを想定しており、センサ装置１５００の（任意の）ファラデーカップ機能とビーム電流測定機能について記載している。ビーム１５１４の運動エネルギーは受け座１５１６で分散され、熱に変換されて受け座１５１６の温度を上昇させる。高温の受け座からの熱は１つまたはそれ以上の支持部１５１８ａ、１５１８ｂを通ってセンサ装置１５００のファラデーカップ１５０２本体まで流れ、支持部１５１８ａおよび１５１８ｂ全体の温度低下を招く。通常は熱電対またはサーモパイルである（だが、サーミスタやＲＴＤなどの別の種類のセンサでもよい）温度センサ１５２０は、電気絶縁性接着層１５２２によって受け座１５１６から熱的に接続されるが、電気的には絶縁される。通常は熱電対である（だが、サーミスタ、サーモパイル、またはＲＴＤなどの別の種類のセンサでもよい）もう一方の温度センサ１５３０は電気絶縁性接着層１５３２によってセンサ装置１５００のファラデーカップ１５０２本体に熱的に接続されるが、電気的には絶縁される。例示の１構成では、温度センサ１５２０は熱電対またはサーモパイルの高温接点であり、温度センサ１５３０は同じ熱電対またはサーモパイルの低温接点である。支持部１５１８と比較して無視できる程度の伝熱性を有する電気ケーブル１５２４は、電気絶縁性貫通接続素子１５２６を通じて温度センサ１５２０および１５３０を外部ケーブル１５２８に接続し、２つの温度センサからの温度情報を外部測定システムに伝える。温度センサ１５２０および温度センサ１５３０によって測定される平衡温度差は、エネルギービーム１５１４の入射により受け座１５１６で散乱されるパワーの尺度である。受け座１５１６の熱容量および熱抵抗（１つまたはそれ以上の支持部１５１８ａおよび１５１８ｂ全部の並列接続を参照）は、ビーム１５１４が受け座１５１６で運動エネルギーを放散するときに生じる温度遷移の時定数（通常、所望に応じて設計により数分の１秒〜数秒で選択される時定数）を判定する。ビーム１５１４は質量をファラデーカップ１５０２の内部１５０４に伝える。ビーム１５１４内のガスクラスタまたはガスクラスタイオンはすべて、受け座１５１６への入射時に完全に解離され、ビーム１５１４に存在し得るモノマーと共にファラデーカップ１５０２の内部１５０４に開放されて、ファラデーカップ１５０２の内部１５０４の圧力を上昇させる。圧力トランスデューサ１５０６はファラデーカップ１５０２の内部１５０４と流体連結しており、そこで電気絶縁性フランジ１５０８に装着される。圧力トランスデューサ１５０６はファラデーカップ１５０２の内部１５０４の圧力を測定する。ファラデーカップ１５０２の内部１５０４の圧力は、ビーム１５１４によるファラデーカップ１５０２への質量流の尺度である。動作中、センサ装置１５００は、真空条件下でファラデーカップ１５０２の内部１５０４と協働する。センサ装置１５００のビームパワー測定機能は、真空条件下にセンサ装置１５００を配置し、公知のビームパワーの赤外レーザビーム（またはその他の較正放射電源）を受け座に向ける（加速ビームによるパワー放散を促す）ことによって較正することができる。

図６は、ビーム診断構成に示される中性ビーム診断および測定用のセンサ装置１５００を使用する本発明の一実施形態に係る中性ビーム処理装置１６００の概略図である。センサ装置１５００はビーム１５１４の軸１１５４と同軸に配置される。センサ装置は、ビーム１５１４をセンサ装置１５００に透過させる開口部で、電気絶縁フランジ１６５６を有する低圧容器１１０２のビームラインチャンバ１１０７に装着される。加速ＧＣＩＢ１１２８が生成される。一対の静電偏向板１６０２は軸１１５４を中心に配置される。偏向電源１６３６は制御可能な偏向電圧Ｖ_Ｄを提供する。導線１６３８は偏向板１６０２間に偏向電圧Ｖ_Ｄを印加する。Ｖ_Ｄがゼロのとき、下流ビーム１５１４はＧＣＩＢ１１２８である。Ｖ_Ｄが十分に大きい場合（ビームエネルギーと偏向板の形状に依存するが，通常は数ｋＶ）、ＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１６０４が偏向され、ビーム１５１４は中性ビームである。ビームダンプ１６０６は、偏向板１６０２によって偏向されるときにビームのイオン化部分１６０４を受け取るように配置される。ビームダンプ１６０６はビーム１５１４を通過させる開口１６０８を有する。Ｖ_Ｄがゼロであるとき、開口１６０８はＧＣＩＢであるビーム１５１４を透過させる。Ｖ_Ｄが十分に大きい場合、イオン化部分１６０４はビームダンプ１６０６に衝突し、開口１６０８は中性ビームを透過させる。ビーム１５１４は中性ビームであるとき、加速成分と非加速成分の両方を含む。ガスジェット１１１８の一部は通常、イオン化されずにイオン化装置１１２２を透過するため、イオン化装置出口開口１１２６とサプレッサ電極１１４２との間の抽出領域において加速されない。ガスジェットのこのような非加速部分は、超音速であるガスジェット速度で移動するモノマーおよびガスクラスタを含むことができる。通常、非加速モノマーおよび／またはクラスタはモノマー毎に約数ミリ電子ボルトのエネルギーしか有さないため、ワークピースに衝突する際に実質的な表面処理を通常行わない。しかしながら、これらの粒子はビーム１５１４に沿ったセンサ装置１５００への質量輸送に参加する。中性ビームのこれらの低エネルギー（非加速）成分はワークピース処理にはさほど関与しないため、加速中性ビームの線量測定算出から省くべきである。

コントローラ１６１６は汎用コントローラ（マイクロプロセッサベースのコントローラなど）であってもよく、ビーム測定システムを較正し、ワークピース処理中に線量測定を制御し、ビーム診断情報をユーザ／オペレータに報告するために使用される。

圧力トランスデューサ１６１０は、ビーム１５１４から軸外の位置でビームラインチャンバ１１０７内に配置される。導線１５１２はビーム電流Ｉ_Ｂをビーム電流測定装置１６１２に伝送し、そこでＩ_Ｂを測定し、電気ケーブル１６１８を介して測定値をコントローラ１６１６に送信する。電気ケーブル１５２８は、１つまたはそれ以上の支持部１５１８ａおよび１５１８ｂ全体を通じた温度差を測定する温度測定装置１６１４に温度測定情報を送信し、電気ケーブル１６２０を介して温度差測定値をコントローラ１６１６に送信する。圧力センサ１５０６はセンサ装置１５００の内部圧力を測定して、圧力測定情報を電気ケーブル１５１０を介してコントローラ１６１６に送信する。圧力トランスデューサ１６１０はビームラインチャンバ１１０７内の圧力を測定し、電気ケーブル１６４４を介してコントローラ１６１６に送る。ガス保管シリンダ１１１１に保管される加圧凝縮性ソースガス１１１２（たとえばアルゴン）はガス測定遮断弁１６４０および供給筒１１１４を通って停滞チャンバ１１１６に流れ込み、ノズル１１１６から排出されてガスジェット１１１８を形成する。２方向ガス測定遮断弁１６４６はソースガス１１１２を供給筒１６５０または供給筒１６６０のいずれかに接続する。２方向ガス測定遮断弁１６４６は、ガス流を遮断する、あるいは供給筒１６５０または供給筒１６６０のいずれかに送られる制御可能な流量にガス流を調節することができる。供給筒１６５０は、較正のために計量されたソースガス１１１２の制御可能な流をセンサ装置１５００の内部に送るノズル１６５２を有する。供給筒１６６０は、測定されるソースガス１１１２の制御可能な流をビームラインチャンバ１１０７に方向付けるノズル１６６２を有する。２方向ガス測定遮断弁１６４６はケーブル１６４８を介してコントローラ１６１６から制御信号を受信し、ソースガス流の制御可能な流をセンサ装置１５００またはビームラインチャンバ１１０７のいずれかに計量する、あるいは流を完全に遮断する。

ワークピースマニュピレータ１６２２は、ワークピース１１６０を保持するワークピースホルダ１６２４を制御する。ワークピース１１６０は、従来のワークピース積み出し／積み下ろし（図示せず）によってワークピースホルダ１６２４（または処理ワークピースと交換される未処理ワークピース）上に配置する、あるいはワークピースホルダ１６２４から取り外すことができる。ワークピースマニュピレータ１６２２は線形運動１６２６で、ワークピースホルダ１６２４およびワークピース１１６０を機械的に拡張または後退させることができる。これにより、ワークピース１１６０をビーム１５１４内に配置する、あるいはビーム１５１４から後退させることによって、ワークピース１１６０のビーム処理を開始または停止することができる。ビーム診断を実行する際に適切であるように、ワークピースホルダは後退位置１６５４、ワークピースはビーム１５１４外にあることが示されている。ワークピースマニュピレータ１６２２は任意で、図６の紙面および／または運動１６２６に直交する面に出入りする追加の運動軸１６２８を有する。運動１６２６と１６２８の組み合わせは、走査が広面積ワークピースの均一処理にとって望まれるときに、ビーム１５１４によるワークピースの走査を簡易化する。コントローラ１６１６は電気ケーブル１６３２を介して制御信号をワークピースマニュピレータ１６２２に送信し、ビーム１５１４に対するワークピースの拡張および後退を制御し、任意で、処望により、ビーム１５１４によるワークピース１１６０の走査を制御する。所望のコントローラ１６１６が電気接続制御バス１６３４を介して制御信号を偏向電源１６３６に送信して偏向電圧Ｖ_Ｄを調節しイオン化部分１６０４のビーム１５１４外への偏向を制御する。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号を抑制電源１１３８に送信し、抑制電圧Ｖ_ｓをオン／オフする。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号をアクセラレータ電源１１４０に送信し、加速電圧Ｖ_Ａｃｃをオン／オフする。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号を偏向電源１６３６に送信し、偏向電圧Ｖ_Ｄを調節し、イオン化部分１６０４のビーム１５１４外への偏向を制御する。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号をフィラメント電源１１３６に送信し、フィラメント電圧Ｖ_Ｆを調節する、またはオン／オフをする。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号をアノード電源１１３４に送信し、アノード電圧Ｖ_Ａを調節またはオン／オフする。コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号をガス測定遮断弁１６４０に送信し、ソースガス１１１２の停滞チャンバ１１１６への流を制御または遮断して、ガスジェット１１１８の情報を開始または終了させる。表示装置１６５６は電気ケーブル１６５８を介してコントローラ１６１６によって制御され、ビーム診断情報をユーザ／オペレータに対して表示する。

使用時、システムは上述したようにビームパワー測定値を較正することによって較正され、パワー感度（ケルビン／ｍＷ）はｋ_Ａ（たとえば、０．０５ケルビン／ｍＷ）として記録される。

ビーム質量輸送測定値は、ビーム生成なしで通常の動作真空下にビームラインチャンバを置くことによって較正される（ガス測定弁１１１３は閉鎖）。ガス弁１６４０が開放される。コントローラ１６１６は、供給筒１６５０およびノズル１６５２を介してソースガス（通常アルゴン）をセンサ装置１５００に導入するように質量流コントローラ１６４６に命じる。ある範囲の流の場合、たとえば、０〜１標準立方センチメートル／分（ｓｔｄｃｍ^３／ｍｉｎ）（ｓｃｃｍとも言う）の場合、線形圧力測定曲線が測定され、線形曲線 の傾斜がｋ_Ｄ（たとえば、１．２×１０^−３トル／ｓｃｃｍ）として決定され記録される（なお、１パスカルｍ^３／秒は約５９２．２ｓｃｃｍであり、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。コントローラ１６１６は質量流コントローラ１６４６にゼロ流を命じる。

図７は、上述し、中性ビームワークピース処理構成に示される上述の中性ビーム処理装置１６００の概略１６８０を示す。コントローラ１６１６はガス測定遮断弁１６４０、アノード電源１１３４、フィラメント電源１１３６、アクセラレータ電源１１４０、抑制電源１１３８に、通信制御バス１６３４を介して送信される制御信号を通じてビームパラメータ（適切な所望の処理として予め決定されたビーム電流および加速電圧など）に従いＧＣＩＢ１１２８の形成条件を確定するように命じる。また、コントローラ１６１６は電気接続制御バス１６３４を介して制御信号を偏向電源１６３６に送信し、偏向電圧Ｖ_Ｄを調節して、ビーム１５１４が中性ビームとなるようにＧＣＩＢ１１２８のイオン化部分１６０４をビーム１５１４外に偏向させる。コントローラ１６１６は電気ケーブル１６３２を介して制御信号をワークピースマニュピレータ１６２２に送信し、ワークピースホルダ１６２４を拡張位置１６８２に移動させることによって未処理ワークピース１１６０をビーム１５１４に移動させる。所望に応じ、ワークピースマニュピレータ１６２２は、ビーム１５１４でワークピース１１６０を走査し、ワークピース１１６０がビーム１５１４の直径よりも大きいときワークピース１１６０の均一処理を可能にするようにコントローラ１６１６で制御することができる。過去のビームの特徴付け測定中に判定されたビームの特徴付け情報（本願で後述−下記の算出Ｃ_ｐおよびＣ_ｓを参照）を用いて、コントローラ１６１６はビーム１５１４によるワークピース１１６０の露光（走査または未走査）に必要な総時間を判定して、中性ビーム処理の予め選択された所望の線量（ワークピース表面でのｃｍ^２当たりの加速中性分子の総線量）を達成する。ワークピース１１６０での予め選択された所望の線量の達成時、コントローラ１６１６はワークピースマニュピレータ１６２２に、ワークピース１１６０をビーム１５１４から外してワークピース１１６０の処理を終了させるように命じる。従来のワークピース積み出し／積み下ろし手段（図示せず）は処理装置から処理済みワークピース１１６０を取り外して追加処理のために他の未処理ワークピースと交換することができる。

センサ装置１５００は図６および図７で例示のために低圧容器１１０２の外部に装着されるように示されているが、当業者にとっては、センサ装置１５００はビームラインチャンバ１１０７の内部に完全にまたは部分的に交互に配置できることは明白である。センサ装置をビームの特徴付けのためにビーム１５１４内へ移動させる、あるいは処理実行のためにビーム外に移動させるように、適切な機構および制御装置を配置することによって、センサ装置をワークピースホルダ１６２４の上流に配置することも可能である。ビームラインチャンバ１１０７の内部に完全にまたは部分的に配置される場合、それに合わせてノズル１６５２の位置を適切に変更することが必要であり、センサ装置１５００の過熱を防止して真空環境下での適切な動作を確保するように、支持部１５１８ａおよび１５１８ｂを装着するファラデーカップ１５０２の部分を適切に冷却する、あるいは温度調節することも必要となることもある。

図５および図６に示す装置は、中性ビームまたは解離中性ビームおよび（任意で、ファラデーカップでビーム電流Ｉ_Ｂを測定することによって）そこから得られるＧＣＩＢの広範な特徴付けを可能とする。以下の方法によると、最初に特定のシステム定数が決定され、次にそれぞれの具体的なビーム設定に関連する変数が決定される。測定されたシステム定数および設定特定変数から、広範なビームの特徴付けは、ほかの目的の間では、ワークピースの中性ビームまたは解離中性ビーム処理中の線量測定のために算出し利用することができる。受け座１５１６、１つまたはそれ以上の支持部１５１８ａおよび１５１８ｂ、たとえば、ファラデーカップ１５０２の本体、温度センサ１５２０および１５３０、温度測定装置１６１４、コントローラ１６１６はまとめて、それらの電気的相互接続とともに、受け座１５１６への熱作用を通じてビーム１５１４のパワーを測定する「ビームパワーメータ」を構成する。ビームパワーメータの感度はケルビン／ｍＷ単位でｋ_Ａとして表される。ただし、受け座１５１６に放散されるビームパワーはｍＷで表され、結果として生じる温度センサ１５２０および１５３０での測定温度間の平衡温度差はケルビンで表される。ビーム１５１４によりセンサ装置１５００に輸送されるガスに対するトル／ｓｃｃｍ単位の圧力トランスデューサ１５０６の感度はｋ_Ｄで表され、ただし、輸送されるガス（分離ビームまたはノズル１６５２を通じて導入される較正ガス源）の量はｓｃｃｍで表され、圧力トランスデューサ１５０６によって測定される圧力はトル単位で表される（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３であり、１パスカルは約０．００７５０１トルであり、１パスカルｍ^３／秒は約５９２．２ｓｃｃｍである）。ガスジェット１１１８によるビームラインチャンバ１１０７へのガス流とセンサ装置１５００内の背景ガスの圧力に対する圧力トランスデューサ１５０６の感度はトル／ｓｃｃｍ単位でｋ_Ｂとして表される。ただしノズル１１１０を通じて供給されるガス（または、ノズル１６６２を通じて導入される較正ガス源）の量はｓｃｃｍで表され、圧力トランスデューサ１５０６によって測定される圧力はトル単位で表される（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／メートル^３であり、１パスカルは約０．００７５０１トルであり、１パスカルｍ^３／秒は約５９２．２ｓｃｃｍである）。ガスジェット１１１８によるビームラインチャンバ１１０７へのガス流とビームライン１１０７内の背景ガスの圧力に対する圧力トランスデューサ１６１０の感度はトル／ｓｃｃｍ単位でｋ_ｃとして表される。ただしノズル１１１０を通じて供給されるガス（または、ノズル１６６２を通じて導入される較正ガス源）の量はｓｃｃｍで表され、圧力トランスデューサ１６１０によって測定される圧力はトル単位で表される（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３であり、１パスカルは約０．００７５０１トルであり、１パスカルｍ^３／秒は約５９２．２ｓｃｃｍである）。

ビームパワーメータの感度ｋ_Ａは、センサ装置１５００を真空条件下に置き、公知のビームパワー（またはその他の較正放射電源）の赤外レーザビームを受け座に向ける（加速ビームによるパワー放散を促す）ことによって測定することができる。たとえば、１００ミリワットのビームパワーレベル（レーザパワーメータを用いて較正）で１．０６マイクロメートルの波長で動作するイッテルビウムファイバレーザが便利である。このように較正されるとき、受け座１５１６の入射パワーと２つの温度センサ１５２０および１５３０間の温度差（平衡または略平衡で、たとえば、ビームパワーメータで約５熱時定数後）との関係は公知であり、受け座１５１６での入射ビームパワーを測定するのに使用することができる。支持部１５１８ａおよび１５１８ｂの例示の構成では、感度ｋ_Ａはたとえば約０．５ケルビン／ｍＷである。

ビーム１５１４によってセンサ装置１５００に輸送されるガスに対する圧力トランスデューサ１５０６の感度は、トル／ｓｃｃｍ単位でビームによるガス輸送の制御されたシミュレーションによって測定される（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。ガスジェット１１１８は、ガス測定遮断弁１６４０を閉鎖することによってオフにされる。次に、コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を制御して、ノズル１６５２を通ってセンサ装置１５００の内部１５０４に直接流れ込む制御された一連の流に、ビームによるセンサ装置１５００へのガス輸送を促進させる。たとえば、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６ｓｃｃｍのガス流（または、通常採用されるビーム強度に対して起こるであろう典型的なビームのガス輸送に対応するその他の一連の値）をセンサ装置に導入し、圧力トランスデューサ１５０６の対応する圧力読取り値を記録することができる（なお、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６ｓｃｃｍのガス流は、約３．３７８×１０^−４、５．０６７×１０^−４、６．７５６×１０^−４、８．４４５×１０^−４、１．０１３×１０^−３パスカルｍ^３／秒にそれぞれ対応する）。図８Ａは、このような一連の測定値から得ることのできる圧力トランスデューサ１５０６の例示の較正曲線１７００を示す。測定の結果、ｋ_Ｄ、たとえば約１．２×１０^−３トル／ｓｃｃｍ（９．４７０×１０^−３秒／ｍ^３）に等しい傾斜１７０４を有する基本的に直線的な曲線１７０２が生じる。コントローラ１６１６は測定を実行および記憶し、直線状曲線１７０２を測定データに適合させ、傾斜１７０４を抽出し、それをビーム１５１４によりセンサ装置１５００に輸送されるガス（またはノズル１６５２を通じて注入される較正ガス流）に対する圧力トランスデューサ１５０６の較正感度ｋ_Ｄとしてトル／ｓｃｃｍで記憶する（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。

ビーム１５１４がセンサ装置１５００に入射していないときにガスジェット１１１８のためにビームラインチャンバ１１０７へのガス流から生じるセンサ装置１５００内の背景ガスの圧力に対する圧力トランスデューサ１５０６の感度はｋ_Ｂで表される（トル／ｓｃｃｍ単位で、ただし１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。較正ガス流はノズル１６６２を通ってビームラインチャンバ１１０７に導入され、圧力トランスデューサ１５０６によって測定される圧力はトル単位で表される（なお、１パスカルは約０．００７５０１トルである）。この較正のために、コントローラ１６１６は、ガス測定遮断弁１６４０を閉鎖することによってガスジェット１１１８を遮断する。次に、コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を制御して、ノズル１６６２を通ってビームラインチャンバ１１０７に直接流れ込む制御された一連の流に、ガスジェット１１１８によるビームラインチャンバ１１０７へのガス輸送を促進させる。たとえば、１、１．５、２、２．５、３ｓｃｃｍのガス流（または、システムの典型的な動作中、ガスジェット１１１８および結果として生じるビームによるビームラインチャンバ１１０７への典型的なガス流に対応するその他の一連の値）を、コントローラ１６１６の制御下でビームラインチャンバ１１０７に導入することができる（なお、１、１．５、２、２．５、３ｓｃｃｍのガス流は約１．６８９×１０^−３、２．５３４×１０^−３、３．３７８×１０^−３、４．２２３×１０^−３、５．０６７×１０^−３パスカルｍ^３／秒にそれぞれ対応する）。圧力センサ１５０６での対応する圧力はコントローラ１６１６によって測定および記録される。図８Ｂはいくつかの例示の較正曲線１７１０を示す。上側直線状曲線１７１２は、たとえば、ノズル１６６２を通る流を用いてシミュレーションされ、圧力トランスデューサ１５０６で測定されるような、ガスジェット１１１８からの流れによる背景ガスの圧力の曲線を表す。直線状曲線１７１２は、このような一連の測定値から生じ得る例示の曲線を表す。その結果、ｋ_Ｂに等しい傾斜１７１４を有する基本的に直線的な曲線１７１２が生じる。コントローラ１６１６は測定を実行し保存して、直線状曲線１７１２を測定データに適合させ、傾斜１７１４を抽出し、トル／ｓｃｃｍ（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）単位でそれをガスジェット１１１８（またはノズル１６６２により注入される較正ガス流）によりビームラインチャンバ１１０７に輸送されるガスに対する圧力トランスデューサ１５０６の較正感度ｋ_Ｂとして保存する。

ガスジェット１１１８のためビームラインチャンバ１１０７へのガス流から生じるビームラインチャンバ１１０７内の背景ガスの圧力に対する圧力トランスデューサ１６１０の感度はｋ_ｃとして表される（トル／ｓｃｃｍ単位で、ただし１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。較正ガス流はノズル１６６２を通ってビームラインチャンバ１１０７に導入され、圧力トランスデューサ１６１０によって測定される圧力はトル単位で表される。この較正のため、コントローラ１６１６はガス測定遮断弁１６４０を閉鎖することによってガスジェット１１１８を遮断する。次に、コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を制御して、ノズル１６６２を通ってビームラインチャンバ１１０７に直接流れ込む一連の流に、ガスジェット１１１８によるビームラインチャンバ１１０７へのガス輸送を促す。たとえば、１、２、３、４、５ｓｃｃｍのガス流（または、システムの典型的な動作中、ガスジェット１１１８および結果として生じるビームによるビームラインチャンバ１１０７への典型的なガス流に対応するその他の一連の値）をコントローラ１６１６の制御下でビームラインチャンバ１１０７に導入することができる（なお、１、２、３、４、５ｓｃｃｍのガス流は約１．６８９×１０^−３、３．３７８×１０^−３、５．０６７×１０^−３、６．７５６×１０^−３、８．４４５×１０^−３パスカルｍ^３／秒にそれぞれ対応する）。圧力センサ１６１０での対応する圧力はコントローラ１６１６によって測定および記録される。図８Ｂはいくつかの例示の較正曲線１７１０を示す。下側の直線状曲線１７２２は、このような一連の測定値から生じ得る例示の曲線を表す。その結果、ｋ_Ｃに等しい傾斜１７２４を有する基本的に直線的な曲線１７２２が生じる。コントローラ１６１６は測定を実行および記憶し、直線状曲線１７２２を測定データに適合させ、傾斜１７２４を抽出し、それをガスジェット１１１８（またはノズル１６６２によって注入される較正ガス流）によってビームラインチャンバ１１０７に輸送されるガスに対する圧力トランスデューサ１６１０の較正感度ｋ_ｃとしてトル／ｓｃｃｍ単位で保存する（なお、１トル／ｓｃｃｍは約７．８９２秒／ｍ^３である）。

発明者らは、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｃ、ｋ_Ｄが原点（ゼロ流でゼロ圧）を正確に通過しない直線状曲線１７０２、１７１２、１７２２から生じ得るわずかな誤差を有することがあるのを理解している。このことは、チャンバ内の基準真空が十分に低くないときに起こり得る。実際上、基準真空が１０^−７トル（１．３３３×１０^−５パスカル）以下の場合、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｃ、ｋ_Ｄの誤差は非常に小さく取るに足りない程度であると通常はみなされる。基準真空圧がそれより高い、あるいは極めて高い精密度が要求される場合、不完全な基準真空条件を補償するため、当業者にとって公知な従来の方法に従いｋ_Ｂ、ｋ_Ｃ、ｋ_Ｄを補正することができる。

システム定数ｋ_Ａ、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｃ、ｋ_Ｄの較正測定値は相互に無関係であり、任意の順序で実行することができる。測定後、定数は表示装置１６５６への表示またはビームの特徴付けおよび／またはプロセス制御用の以降の使用のためにコントローラ１６１６によって保存される。システム定数ｋ_Ａ、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｃ、ｋ_Ｄは、部品の経年変化により長期的ずれを呈示する、あるいはシステム部品の交換または調節の結果として変動する場合がある定数である。よって、定期的にまたはシステム保全または部品交換後にそれらの定数を再測定することが推奨される。

システム定数に加えて、他の定数および変換がビームの特徴付けに必要な計算において使用される。それらは（近似値で示される）アボガドロ数Ｎ_Ａである。
Ｎ_Ａ＝６．０２２×１０^２３原子／モル（または分子／モル）＝ｋ_１
モル体積Ｖ_ｍ
Ｖ_ｍ＝２．２４×１０^４標準ｃｍ^３／モル＝ｋ_２
なお、１パスカルｍ^３は約９．８６９標準ｃｍ^３である。
電荷ｅ
ｅ＝１．６０２×１０^−１９クーロン＝ｋ_３
１クーロン＝１アンペア秒＝６．２４２×１０^１８ｅ＝ｋ_４
ミリジュール、１０^−３ジュール
１０^−３ジュール＝１ｍＷ−秒＝６．２４２×１０^１５ｅＶ＝ｋ_５
秒
１秒＝１／６０分＝ｋ_６
ｋ_７、原子−分／ｓｃｃ−秒、ただし、ｓｃｃ＝標準ｃｍ^３、なお、１パスカルｍ^３は約９．８６９標準ｃｍ^３である。
ｋ_７＝ｋ₁×ｋ₆／ｋ₂＝４．４８×１０^１７

図６および図７に記載され示されるような中性ビーム処理システムを動作させる際、通常、ガスジェット１１１８の一部がイオン化されずにイオン化装置１１２２を通過する。この非イオン化部分はクラスタとモノマーの両方を備えることができるが、抽出領域で加速されず、センサ装置１５００全体を移動するビーム１５１４の一部として存在し続け、圧力トランスデューサ１５０６によって感知される内部１５０４の圧力上昇に寄与する。圧力トランスデューサ１５０６によって感知されるこの絶対にイオン化されないガス（本願では「デッドガス」と称する）は加速されていないため、非常にゆっくりと不十分なエネルギー（モノマー当たり数ミリｅＶ）で移動し、ワークピースの中性ビーム処理に大きく寄与する。したがって、中性ビーム処理線量測定においては別個に説明され、本発明のビームの特徴付け方法の一部として別個に測定することができる。ビームラインチャンバ１１０７の背景ガスと、圧力トランスデューサ１５０６でのガスジェットからのデッドガスの寄与は以下のようにして測定される。

コントローラ１６１６は、センサ装置１５００の入口開口１５３６で障害がなくなるように、ワークピースホルダ１６２４を後退位置１６５４まで移動させる。コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を閉鎖し、ガス測定遮断弁１６４０を開放し、弁１６４０を通る流を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された流量に設定する。コントローラ１６１６はＶ_ＡｃｃおよびＶ_Ｓ両方の値をゼロに設定するため、ビーム加速は発生しない。コントローラ１６１６はＶ_ＡおよびＶ_Ｆ両方の値を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用されるのと同じイオン化装置条件および効率で、イオン化装置１１２２がイオン化装置１１２２を通過する中性ジェット１１１８をイオン化するように、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された動作値に設定する。結果として生じるＧＣＩＢはイオン化部分と非イオン化部分を備えるが、いずれの部分も抽出領域で加速されない。ビーム速度（ガスジェット速度）は非常に低速であるため、ＧＣＩＢ内の空間電荷作用の結果、イオン化部分のビームが膨らみビーム外のすべてのイオンをはじき飛ばして、ビーム１５１４は軸１１５４に沿ってセンサ装置１５００へと低速で移動する中性ビームとなる。すべてのイオンがビーム１５１４から除去されたことは、ビーム電流Ｉ_Ｂをファラデーカップ１５０２でゼロと測定することによって確認することができる。もしくは、コントローラは、Ｖ_Ｄを残りのイオン化部分１６０４をビーム１５１４外に偏向させる小さな値に設定することができる。この条件下で（条件Ａ）、以下の測定値はコントローラ１６１６によって取得および保存される。すなわち、
Ｍ_Ｅ、トル（なお、１パスカルは約０．００７５０１トルである）で測定される圧力トランスデューサ１５０６での圧力
Ｍ_Ｆ、トル（なお、１パスカルは約０．００７５０１トルである）で測定される圧力トランスデューサ１６１０での圧力

追加の測定値は以下のような条件で取得される。コントローラ１６１６は、センサ装置１５００の入口開口１５３６に障害がなくなるように、ワークピースホルダ１６２４を後退位置１６５４に移動させる。コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を閉鎖し、ガス測定遮断弁１６４０を開放し、弁１６４０を通る流を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された流量に設定する。コントローラ１６１６はＶ_ＡｃｃおよびＶ_Ｓ両方の値を、中性ビーム動作中にビーム生成のためのＧＣＩＢ加速に使用される予め選択された電位に設定する。コントローラ１６１６はＶ_ＡおよびＶ_Ｆ両方の値を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用されるのと同じイオン化装置条件および効率で、イオン化装置１１２２がイオン化装置１１２２を通過する中性ジェット１１１８をイオン化するように、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された動作値に設定する。結果として生じるＧＣＩＢ１１２８は加速ＧＣＩＢである。コントローラ１６１６は、ビーム１５１４がセンサ装置１５００内へ移動するＧＣＩＢであるようにＶ_Ｄをゼロに設定する。この条件下で（条件Ｂ）、以下の測定値がコントローラ１６１６によって取得および保存される。すなわち、
Ｍ_Ｇ、トル（なお、１パスカルは約０．００７５０１トルである）で測定される圧力トランスデューサ１５０６での圧力
Ｍ_Ｈ、アンペアで測定され、ファラデーカップ１５０２によって収集されるビーム電流Ｉ_Ｂこの測定値は、ビームがイオンを含まない限り必要ではなく、ビーム内のイオンのサイズ対荷電率を特徴付けるために所望される。
Ｍ_Ｉ、ケルビンで測定される温度センサ１５２０および温度センサ１５３０間の温度差の平衡または略平衡温度測定値

追加の測定値は以下の条件で取得される。コントローラ１６１６は、センサ装置１５００の入口開口１５３６で障害がなくなるように、ワークピースホルダ１６２４を後退位置１６５４に移動させる。コントローラ１６１６は２方向ガス測定遮断弁１６４６を閉鎖し、ガス測定遮断弁１６４０を開放し、弁１６４０を通る流を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された流量に設定する。コントローラ１６１６は、Ｖ_ＡｃｃおよびＶ_Ｓ両方の値を中性ビーム動作中にビーム生成のためにＧＣＩＢの加速に使用される予め選択された電位に設定する。コントローラ１６１６はＶ_ＡおよびＶ_Ｆ両方の値を、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用されるのと同じイオン化装置条件および効率で、イオン化装置１１２２がイオン化装置１１２２を通過する中性ジェット１１１８をイオン化するように、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された動作値に設定する。結果として生じるＧＣＩＢ１１２８は加速ＧＣＩＢである。コントローラ１６１６はＶ_Ｄを、ビーム１５１４がセンサ装置１５００内へ移動する中性ビームであり、イオン化部分１６０４がビームダンプ１６０６と衝突するように、中性ビーム動作中にビーム生成のために使用される予め選択された動作値に設定する。この条件下で（条件Ｃ）、以下の測定値はコントローラ１６１６によって取得および記憶される。すなわち、
Ｍ_Ｊ、トル（なお、１パスカルは約０．００７５０１トルである）で測定される、圧力トランスデューサ１５０６での圧力
Ｍ_Ｋ、ケルビンで測定される、温度センサ１５２０と温度センサ１５３０間の温度差の平衡または略平衡温度測定。

システム定数ｋ_Ａ、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｂ、ｋ_Ｄおよび測定値Ｍ_Ｅ、Ｍ_Ｆ、Ｍ_Ｇ、Ｍ_Ｈ、Ｍ_Ｉ、Ｍ_Ｊ、Ｍ_Ｋを使用して、ビーム１５１６の広範な特徴付けは以下のように算出することができる。

Ｃ_Ｌ＝背景ガス（原子／秒）
＝［（Ｍ_F×ｋ_Ｂ）／（ｋ_Ｄ×ｋ_Ｃ）］×［（Ｎ_Ａ×ｋ₆）／ｋ₂］
＝［（Ｍ_F×ｋ_Ｂ）／（ｋ_Ｄ×ｋ_Ｃ）］×ｋ₇；

Ｃ_Ｍ＝ビーム内のデッドガス流（原子／秒）＝ｋ₇×Ｍ_Ｅ／ｋ_Ｄ−C_Ｌ；

Ｃ_Ｎ＝フルビーム質量輸送（原子／秒）＝ｋ₇×Ｍ_Ｇ／ｋ_Ｄ；
ただし、「フルビーム」は、Ｖ_Ｄ＝０のビーム１５１４を意味し、デッドガスを含むあらゆるクラスタ、あらゆるモノマー、あらゆるイオン化クラスタ、あらゆるイオン化モノマーを含む。

Ｃ_Ｏ＝フルビーム質量輸送の加速部分（原子／秒）＝Ｃ_Ｎ−（Ｃ_Ｌ＋Ｃ_Ｍ）；

Ｃ_ｐ＝加速中性質量流（原子／秒）＝ｋ_７×Ｍ_Ｊ／ｋ_Ｄ−（Ｃ_Ｌ＋Ｃ_Ｍ）、または；
Ｃ_ｐは以下を用いて同一の結果を有するように算出することができる。

Ｃ_ｐ＝加速中性質量流（原子／秒）＝ｋ_７×（Ｍ_Ｊ−Ｍ_Ｅ）／ｋ_Ｄ；

Ｃ_Ｑ＝荷電種質量流（原子／秒）＝Ｃ_Ｏ−Ｃ_Ｐ；

Ｃ_Ｒ＝荷電種平均サイズ対荷電率（原子／ｑ）＝Ｍ_Ｑ／（Ｍ_Ｈ×ｋ_４）；

ただし、ｑは元素正電荷−ｅを表す。なお、この計算はビーム電流測定値に依存するが、ビームがイオンを含む場合にのみ意味を有するために中性ビームおよび解離中性ビームを必要としない。

Ｃ_S＝中性ビーム内の原子当たりのエネルギー（ｅＶ）＝（Ｍ_Ｋ×ｋ_５）／（ｋ_Ａ×Ｃ_Ｐ）；

Ｃ_Ｔ＝荷電種の原子当たりのエネルギー（ｅＶ）＝［（Ｍ_Ｉ−Ｍ_Ｋ）×ｋ_５］／（ｋ_Ａ×Ｃ_Ｑ）；

Ｃ_ｕ＝フルビームの加速部分の原子当たりのエネルギー（ｅＶ）
＝（Ｍ_I×ｋ_５）／（ｋ_Ａ×Ｃ_Ｏ）；

Ｃ_Ｖ＝荷電種の電荷当たりの総エネルギー（ｋｅＶ）＝C_R×C_T／１０００；
なお、Ｃ_Ｖの算出はビーム電流測定値に依存するが、ビームがイオンを含む場合にのみ意味を有するために中性ビームおよび解離中性ビームにとっては不要である。

上記計算式では、Ｃ_Ｌ、Ｃ_Ｍ、．．．Ｃ_Ｖ、「原子」という用語は本願で定義される意味で使用され、原子が解離しているか、クラスタであるかに関係しない。

特定の状況下では、広範なビームの特徴付けは不要である。たとえば、ワークピースでの中性ビーム処理の線量測定を制御する際、線量測定を成功させるのに知っておくべきビームの特徴は、中性ビームの加速中性質量流Ｃ_ｐと中性ビーム内の原子当たりのエネルギーＣ_S、だけであることが多い。このような場合、ビームの特徴付けの簡易方法を使用することができる。システム定数ｋ_Ａおよびｋ_Ｄと測定値Ｍ_Ｅ、Ｍ_Ｊ、Μ_Ｋを使用して、ビーム１５１６の簡易特徴付けは以下のようにして算出することができる。

Ｃ_ｐ＝加速中性質量流（原子／秒）＝［ｋ_７×（Ｍ_Ｊ−Ｍ_Ｅ）］／ｋ_Ｄ；

Ｃ_Ｓ＝中性ビーム内の原子当たりのエネルギー（ｅＶ）＝（Ｍ_Ｋ×ｋ_５）／（ｋ_Ａ×Ｃ_ｐ）；

本開示で使用される測定値および式は、多くの測定値および式で従来の米国基準単位（たとえば、トル、ｓｃｃｍなど）を使用する。同じ測定値および式は、直接変換によって国際単位系（ＳＩ）で表すことができる。そのように変換される場合、定数の数値と測定値は測定単位が異なれば異なるために、式の実体ではなく形式が異なって現れる場合がある。本発明の測定と方法は、本明細書に特定されるＳＩ等価単位を採用することで、米国基準単位でもＳＩ基準単位でも等しく実行することができる。

要約すると、本発明の一実施形態は、ビームを特徴付けるセンサ装置であって、中央領域周囲の筐体であって、特徴付けのため減圧チャンバからビームを中央領域に通すように構成された開口を有する筐体と、ビームを受け取りビームからのエネルギーを吸収するように中央領域内に配置され、上記筐体から少なくとも部分的に熱的に分離されるビームストライク（ｂｅａｍ ｓｔｒｉｋｅ）と、受け取ったビームによる衝突によって誘発される温度変化を測定する温度センサと、中央領域と流体連結しており、開口を通じて入射するビームによって生じる筐体内の圧力変化を測定する第１の圧力センサと、測定された温度変化と前記測定された圧力変化とを処理してビームの特徴を判定する処理システムと、を備えるセンサ装置を提供する。

ビームは加速ガスクラスタイオンビームから得ることができ、ガスクラスタおよび／またはガスクラスタイオンを含んでおり、ビームストライクは前記ガスクラスタおよび／またはガスクラスタイオンを分離させるように適用することができる。該装置は、ビームによって筐体の中央領域に輸送されるガスに対する第１の圧力センサの感度ｋ_Ｄを較正する較正手段と、ビームパワーに対する温度センサの感度ｋ_Ａを較正する較正手段をさらに備えることができ、処理システムはビームの特徴を判定する際にｋ_Ｄとｋ_Ａとを使用する。該装置は、減圧チャンバの背景ガスの圧力に対する第１の圧力センサの感度ｋ_Ｂを較正する較正手段をさらに備えることができ、処理システムはビームの特徴を判定する際にｋ_Ｂを使用する。該装置は、減圧チャンバの圧力を測定するように適用される第２の圧力センサと、減圧チャンバの背景ガスの圧力の変化に関する第２の圧力センサの感度ｋ_Ｃを較正する較正手段とをさらに備えることができ、処理システムはビームの特徴を判定する際にｋ_Ｃを使用する。

ビームは中性ビームまたは解離中性ビームとすることができ、処理システムが、ビーム内のデッドガス流Ｃ_Ｍと、フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、フルビーム質量輸送の加速部分Ｃ_Oと、加速質量中性流Ｃ_Ｐと、中性ビームの原子当たりのエネルギーＣ_Ｓと、フルビームの加速部分の原子当たりのエネルギーＣ_Ｕと、から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定することができる。

温度センサは、ビームストライクと筐体の温度をそれぞれ測定するために配置される第１および第２の温度センサを含むことができる。筐体は、イオンビーム電荷を収集し、ビーム電流を測定するファラデーカップとして機能するように適用することができる。処理システムはビーム電流測定値を使用してビームの特徴を判定するように適用することができる。ビームが加速ガスクラスタイオンビームから得られ、イオンを含んでおり、処理システムが、フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、荷電種質量流Ｃ_Ｑと、荷電種平均サイズ対荷電率Ｃ_Ｒと、荷電種の原子当たりのエネルギーＣ_Ｔと、荷電種の電荷当たりの総エネルギーＣ_Ｖとから成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定することができる。

ビームは中性ビームまたは解離中性ビームとすることができる。該装置は、減圧チャンバと、ガスクラスタイオンビーム発生器と、ガスクラスタイオンビームを加速する手段と、加速ガスクラスタイオンビームを、軌道を有する中性ビームに変換する手段と、測定および特徴付けのためビームを中央領域に入射するため、筐体の開口を軌道に配置する手段と、ワークピースを軌道に導入するワークピース保持手段と、をさらに備えることができ、処理手段は判定されたビームの特徴を使用してワークピースの中性ビーム処理を制御する。

本発明の別の実施形態は、減圧筐体の中央領域で粒子ビームを受け取ることと、筐体から熱的に分離されるビームストライクに対して受け取ったビームを衝突させることと、衝突ビームによるビームストライクの温度変化を測定することと、ビームを受け取ることによる筐体内の圧力変化を測定することと、測定された温度変化と測定された圧力変化とを処理してビームの特徴を判定することと、を備える粒子ビームの特徴付け方法を提供する。

該方法は、ビームを受け取り、衝突ビームのビームパワーのビームストライクの温度センサの感度ｋ_Ａを較正することによって、ガス圧力変化に対する筐体用の圧力センサの感度ｋ_Ｄを較正するステップをさらに備え、処理システムのステップがｋ_Ｄおよびｋ_Ａを使用してビームの特徴を判定することができる。

該方法は、減圧筐体内の圧力を測定するステップと、減圧チャンバ内の測定された圧力を使用して処理ステップでビームの特徴を判定するステップとをさらに備えることができる。該方法は、減圧筐体内の圧力センサの感度Ｋ_Ｃを較正するステップと、感度Ｋ_Ｃを使用して処理ステップでビームの特徴を判定するステップとをさらに備えることができる。

ビームは中性ビームまたは解離中性ビームとすることができ、処理ステップが、ビーム内のデッドガス流Ｃ_Ｍと、フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、フルビーム質量輸送の加速部分Ｃ_Ｏと、加速質量中性流Ｃ_Ｐと、中性ビームの原子当たりのエネルギーＣ_Sと、フルビームの加速部分の原子当たりのエネルギーＣ_Ｕと、から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定することができる。

該方法は、ビームを受け取り衝突することにより筐体とビームストライク内の電流を測定することをさらに備え、処理ステップが測定電流を処理してビームの特徴を判定することを含むことができる。ビームが加速ガスクラスタイオンビームから得られ、イオンを含んでおり、処理システムが、フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、荷電種質量流Ｃ_Ｑと、荷電種平均サイズ対荷電率Ｃ_Ｒと、荷電種の原子当たりのエネルギーＣ_Ｔと、荷電種の電荷当たりの総エネルギーＣ_Ｖと、から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定することができる。

本発明のさらに別の実施形態は、減圧チャンバ内の軌道を有するビームの１つまたはそれ以上の特徴の判定方法であって、中央領域と特徴付けのために中央領域にビームを入射させるために減圧チャンバに接続される開口とを有する筐体を設けるステップと、中央領域内に配置され、入射ビームを受け取りビームからのエネルギーを吸収し、前記筐体から少なくとも部分的に熱的に分離されるビームストライクを設けるステップと、受け取ったビームの衝突によって誘発される温度変化を測定してビームパワー測定信号を提供する温度センサを設けるステップと、中央領域と流体連結しており、開口を通じて入射するビームによって生じる筐体内の圧力変化を測定してビームガス輸送測定信号を提供する第１の圧力センサを設けるステップと、ビームパワー測定信号とビームガス輸送測定信号とを処理してビームの特徴を判定する処理手段を設けるステップと、を備える方法を提供する。

該方法は、少なくとも１つの判定されたビームの特徴を用いてプロセスを制御する制御システムを設けることをさらに備えることができる。該方法は、ガスクラスタイオンビームを生成する装置を減圧チャンバに設けることをさらに備えることができる。該方法は、ガスクラスタイオンビームを完全に中性化させ、減圧チャンバ内の素子をさらに備えることができる。該方法は、ガスクラスタイオンビームを解離させる素子を減圧チャンバに設けることをさらに備えることができる。

本発明は各種実施形態に関して説明したが、当業者によって、本発明は上記開示および添付の特許請求の範囲の精神と範囲に含まれる幅広い追加のおよびその他の実施形態を可能にすると理解される。

Claims (24)

1. ビームを特徴付けるセンサ装置であって、
   中央領域周囲の筐体であって、特徴付けのために減圧チャンバからビームを前記中央領域に通すように構成された開口を有する筐体と、
   ビームを受け取りビームからのエネルギーを吸収するように前記中央領域内に配置され、前記筐体から少なくとも部分的に熱的に分離されるビームストライクと、
   前記受け取ったビームによる衝突によって誘発される温度変化を測定する温度センサと、
   前記中央領域と流体連結しており、前記開口を通じて入射するビームによって生じる前記筐体内の圧力変化を測定する第１の圧力センサと、
   前記測定された温度変化と前記測定された圧力変化とを処理してビームの特徴を判定する処理システムと、
   を備えるセンサ装置。
2. 前記ビームが加速されたガスクラスタイオンビームから得られており、ガスクラスタおよび／またはガスクラスタイオンを含んでおり、さらに前記ビームストライクが前記ガスクラスタおよび／またはガスクラスタイオンを解離させるように適用される請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記ビームによって前記筐体の前記中央領域に輸送されるガスに対する前記第１の圧力センサの感度ｋ_Ｄを較正する較正手段と、
   ビームパワーに対する前記温度センサの感度ｋ_Ａを較正する較正手段と、
   をさらに備えており、前記処理システムがビームの特徴判定にｋ_Ｄおよびｋ_Ａを使用する請求項１に記載のセンサ装置。
4. 前記減圧チャンバ内の背景ガスの圧力に対する前記第１の圧力センサの感度ｋ_Ｂを較正する較正手段をさらに備えており、
   前記処理システムがｋ_Ｂを使用してビームの特徴を判定する請求項３に記載のセンサ装置。
5. 前記減圧チャンバ内の圧力を測定するように適用される第２の圧力センサと、
   前記減圧チャンバ内の背景ガスの圧力の変化に対する前記第２の圧力センサの感度ｋ_Ｃを較正する較正手段と、
   をさらに備え、
   前記処理システムがｋ_Ｃを使用してビームの特徴を判定する請求項３に記載のセンサ装置。
6. 前記ビームが中性ビームまたは解離中性ビームであり、前記処理システムが、
   ビーム内のデッドガス流Ｃ_Ｍと、
   フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、
   フルビーム質量輸送の加速部分Ｃ_Ｏと、
   加速質量中性流Ｃ_Ｐと、
   中性ビームの原子当たりのエネルギーＣ_Ｓと、
   フルビームの加速部分の原子当たりのエネルギーＣ_Ｕと、
   から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定する請求項１に記載のセンサ装置。
7. 前記温度センサが、前記ビームストライクと前記筐体の温度をそれぞれ測定するために配置される第１および第２の温度センサを含む請求項１に記載のセンサ装置。
8. 前記筐体が、イオンビームの電荷を収集しビーム電流を測定するファラデーカップとして機能するように適用されており、さらに前記処理システムが前記ビームの電流測定値を使用してビームの特徴を判定するように適用される請求項１に記載のセンサ装置。
9. 前記ビームが加速されたガスクラスタイオンビームから得られており、イオンを含んでおり、前記処理システムが、
   フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、
   荷電種質量流Ｃ_Ｑと、
   荷電種平均サイズ対荷電率Ｃ_Ｒと、
   前記荷電種の原子当たりのエネルギーＣ_Ｔと、
   前記荷電種の電荷当たりの総エネルギーＣ_Ｖと、
   から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定する請求項８に記載のセンサ装置。
10. 前記ビームが中性ビームである請求項１に記載のセンサ装置。
11. 前記ビームが解離中性ビームである請求項１０に記載のセンサ装置。
12. 減圧チャンバと、
    ガスクラスタイオンビーム発生器と、
    前記ガスクラスタイオンビームを加速する手段と、
    加速された前記ガスクラスタイオンビームを、軌道を有する中性ビームに変換する手段と、
    測定および特徴付けのためにビームを前記中央領域に入射させるため、前記筐体内の開口を軌道に配置する手段と、
    ワークピースを前記軌道に導入するワークピース保持手段と、
    をさらに備えており、
    前記処理手段が判定されたビームの特徴を使用して前記ワークピースの中性ビーム処理を制御する請求項１に記載のセンサ装置。
13. 粒子ビームを特徴付ける方法であって、
    減圧筐体の中央領域で粒子ビームを受け取るステップと、
    前記筐体から熱的に分離されるビームストライクに対して受け取ったビームを衝突させるステップと、
    前記衝突ビームによる前記ビームストライクの温度変化を測定するステップと、
    ビームを受け取ることによる前記筐体の圧力変化を測定するステップと、
    前記測定された温度変化と前記測定された圧力変化とを処理してビームの特徴を判定するステップと、
    を備える方法。
14. 前記ビームの受取りによって発生するガスの圧力変化に対する前記筐体用の圧力センサの感度ｋ_Ｄを較正するステップと、
    前記衝突ビームのビームパワーに対するビームストライクの温度センサの感度ｋ_Ａを較正するステップと、
    をさらに備え、
    処理システムのステップがビームの特徴の判定にｋ_Ｄおよびｋ_Ａを使用する請求項１３に記載の方法。
15. 減圧筐体内の圧力を測定するステップと、前記減圧チャンバ内の測定された圧力を使用して前記処理ステップでビームの特徴を判定するステップと、をさらに備える請求項１３に記載の方法。
16. 前記減圧筐体内の圧力センサの感度Ｋ_Ｃを較正するステップと、感度Ｋ_Ｃを使用して処理ステップでビームの特徴を判定するステップと、をさらに備える請求項１５に記載の方法。
17. ビームが中性ビームまたは解離中性ビームであり、前記処理ステップが、
    ビーム内のデッドガス流Ｃ_Ｍと、
    フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、
    フルビーム質量輸送の加速部分Ｃ_ｏと、
    加速質量中性流Ｃ_ｐと、
    中性ビームの原子当たりのエネルギーＣ_ｓと、
    フルビームの加速部分の原子当たりのエネルギーＣ_Ｕと、
    から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定する請求項１３に記載のセンサ装置。
18. ビームを受け取って衝突することによる前記筐体および前記ビームストライク内の電流を測定するステップをさらに備えており、前記処理ステップが前記測定された電流を処理してビームの特徴を判定することを含む請求項１３に記載の方法。
19. 前記ビームが加速されたガスクラスタイオンビームから得られ、イオンを含んでおり、前記処理システムが、
    フルビーム質量輸送Ｃ_Ｎと、
    荷電種質量流Ｃ_Ｑと、
    荷電種平均サイズ対荷電率Ｃ_Ｒと、
    前記荷電種の原子当たりのエネルギーＣ_Ｔ、
    前記荷電種の電荷当たりの総エネルギーＣ_Ｖと、
    から成る群から選択される１つまたはそれ以上のビームの特徴を判定する請求項１８に記載のセンサ装置。
20. 減圧チャンバ内の軌道を有するビームの１つまたはそれ以上の特徴の判定方法であって、
    中央領域と、特徴付けのために前記中央領域にビームを入射させるために前記減圧チャンバに接続される開口とを有する筐体を設けるステップと、
    前記中央領域内に配置され、入射ビームを受け取りビームからのエネルギーを吸収し、前記筐体から少なくとも部分的に熱的に分離されるビームストライクを設けるステップと、
    受け取ったビームの衝突によって誘発される温度変化を測定してビームパワー測定信号を提供する温度センサを設けるステップと、
    前記中央領域と流体連結しており、前記開口を通じて入射するビームによって生じる前記筐体内の圧力変化を測定してビームガス輸送測定信号を提供する第１の圧力センサを設けるステップと、
    前記ビームパワー測定信号と前記ビームガス輸送測定信号とを処理してビームの特徴を判定する処理手段を設けるステップと、
    を備える方法。
21. 少なくとも１つの判定されたビームの特徴を用いてプロセスを制御する制御システムを設けるステップをさらに備える請求項２０に記載の方法。
22. ガスクラスタイオンビームを生成する装置を前記減圧チャンバ内に設けるステップをさらに備える請求項２０に記載の方法。
23. 前記ガスクラスタイオンビームを完全に中性化させる素子を前記減圧チャンバ内に設けるステップをさらに備える請求項２２に記載の方法。
24. 前記ガスクラスタイオンビームを解離させる素子を前記減圧チャンバ内に設けるステップをさらに備える請求項２２に記載の方法。

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