JP2024500329A - 補助ヒーター付き等温イオンソース - Google Patents

Abstract

イオンソースは、第１の端部と、その第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部から第２の端部まで延在する第１の壁と、その第１の壁の反対側の第２の壁とを有するチャンバーを含む。このイオンソースはまた、チャンバーの第１の端部にあり、かつ電子及び第１の熱量を放出するように構成された、ソースフィラメントと、チャンバーの第２の壁におけるビームアパーチャと、チャンバー内に、かつ第２の端部とビームアパーチャとの間に位置決めされ、かつ第２の熱量を供給するように動作可能である、１つ以上のヒーターとをさらに含む。第２の熱量が第１の熱量と均衡して、チャンバー内の温度勾配を低減又は除去するように、前記１つ以上のヒーターは位置決めされ、かつ動作可能である。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月８日に出願された米国仮特許出願第６３／１２２，６９９号に対する利益及び優先権を主張し、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

背景
本開示は、概して、重金属イオン生成の分野、例えば、医療関連応用分野で使用される重金属イオンの生成に関する。より具体的には、本開示は、イオンソース、例えば、イッテルビウム１７６などの重金属イオンの生成のためのイオンソースの効率及び全体的な作動を改善することに関する。

概要
本開示の一実施態様は、イオンソースである。このイオンソースは、第１の端部と、その第１の端部の反対側の第２の端部と、第１の端部から第２の端部まで延在する第１の壁と、その第１の壁の反対側の第２の壁とを有するチャンバーを含む。イオンソースはまた、チャンバーの第１の端部におけるソースフィラメントと、電子及び第１の熱量を放出するように構成されたイオンソースと、チャンバーの第２の壁におけるビームアパーチャと、チャンバー内に、かつ第２の端部とビームアパーチャとの間に位置決めされ、かつ第２の熱量を供給するように動作可能である、１つ以上のヒーターとをさらに含む。「アパーチャ」という用語は、任意の形状の開口部、例えば、スロット、スリット、長方形開口部、円形開口部、又は他のある形状の開口部を指す場合がある。第２の熱量が第１の熱量と均衡して、チャンバー内の温度勾配を低減又は除去するように、前記１つ以上のヒーターは位置決めされ、かつ動作可能である。

いくつかの実施形態では、イオンソースはまた、チャンバー内に分配された複数の熱電対、及びコントローラも含む。このコントローラは、複数の熱電対からの出力に基づいた、１つ以上のヒーターの閉ループ制御を提供するように構成される。

いくつかの実施形態では、イオンソースはまた、チャンバーの第２の端部にあり、かつ第２の端部から離れる方向に電子を反射するように構成された反射器電極も含む。１つ以上のヒーターの作動は、反射器電極の絶縁体上での凝縮を低減又は除去し得る。

いくつかの実施形態では、ガス注入口は、チャンバーの第１の壁に設けられる。このガス注入口は、ビームアパーチャと位置合わせされ得る。１つ以上のヒーターは、チャンバーの第２の端部から、かつチャンバーの第２の壁に沿って延在する第１の円筒形ヒーターを含み得る。１つ以上のヒーターは、チャンバーの第２の端部から、かつチャンバーの第２の壁に沿って延在する第２の円筒形ヒーターを含み得る。第２の円筒形ヒーターは、第１の円筒形ヒーターから離間され得る。

いくつかの実施形態では、イオンソースはまた、チャンバーの第１の壁に結合され、かつチャンバーから離れる方向に延在する複数の支持ポストも含む。この複数の支持ポストは、チャンバーから外への熱伝達のための均一な経路を提供し得る。イオンソースはまた、水冷システムも含み得る。複数の支持ポストは、チャンバーから水冷システムまで延在し、その水冷システムは、複数の支持ポストから熱を除去するように構成される。水冷システムは、その水冷システムによって複数の支持ポストから除去された熱を測定するように更に構成され得る。

いくつかの実施形態では、イオンソースは、第２の壁内の注入口を介してチャンバー中にイッテルビウムガスを供給するように構成されたオーブンを含む。

いくつかの実施形態では、イオンソースは、ビームアパーチャから放出されたイオンビームのプラズマ均一性を測定するように構成された試験デバイスを含む。１つ以上のヒーターのための制御は、プラズマ均一性に基づいて調整される。

いくつかの実施形態では、第２の熱量は、第１の熱量と実質的に同等である。チャンバー内の温度勾配を低減又は除去することは、ビームアパーチャから放出されたイオンビーム内の不均一な電流の低減又は除去をもたらし得る。

本開示の別の実施態様は、方法である。この方法は、ガス（例えば、金属ガス）をチャンバー中に供給することと、フィラメントに電力を供給して、チャンバー内でフィラメントに電子を放出させることによって、そのガスをイオン化することと、を含む。フィラメントに電力を供給することは、そのフィラメントが、チャンバーの第１の端部に近接するチャンバーに熱を加える。この方法はまた、チャンバー内に位置決めされた１つ以上のヒーターを作動させることによって、チャンバー内の温度勾配を低減又は除去することも含む。１つ以上のヒーターは、チャンバーの内側に位置決めされ、かつ第１の端部の反対側の、チャンバーの第２の端部から延在する。この方法はまた、フィラメントと１つ以上のヒーターとの間に位置決めされたアパーチャを介して、チャンバーからイオンビームを取り出すことも含む。

いくつかの実施形態では、１つ以上のヒーターを作動させることは、１つ以上のヒーターに、フィラメントによってチャンバーに加えられた熱と均衡させることを含む。いくつかの実施形態では、この方法は、チャンバー内の複数の位置における温度を測定することを含む。１つ以上のヒーターを作動させることは、チャンバー内の複数の位置における温度に基づいて、１つ以上のヒーターを制御することを含み得る。この方法はまた、アパーチャを通じて取り出されたイオンビームのプラズマ均一性を測定することと、そのプラズマ均一性の測定値に基づいて、チャンバー内の複数の位置における温度のための設定値を決定することと、をも含み得る。この設定値は、最適なプラズマ均一性に関連付けられ得る。この方法はまた、１つ以上のヒーターを制御して、複数の位置における温度を設定値に至らせることも含み得る。

いくつかの実施形態では、この方法は、複数の支持ポストによってチャンバーに熱的に結合された水冷システムを作動させることによって、チャンバーから熱を除去することを含む。

本開示は、添付図面と併せて記載される以下の詳細な説明から、より完全に理解されることになり、ここでは、同様の参照数字は、同様の要素を指す。

例示的な実施形態によるイオンソースの概略図である。 例示的な実施形態による、図１のイオンソースのための制御ループのブロック図である。 例示的な実施形態による、図１のイオンソースのための制御システムのブロック図である。 例示的な実施形態による、図１のイオンソースの斜視図である。 例示的な実施形態による、図１のイオンソースの別の斜視図である。 例示的な実施形態によるイオンソースの斜視図である。 例示的な実施形態による、図４のイオンソースの第１の断面図である。 例示的な実施形態による、図４のイオンソースの第２の断面図である。 例示的な実施形態による、図４のイオンソースの第３の断面図である。 例示的な実施形態による、イオンソースを作動させるプロセスのフロー図である。 例示的な実施形態による、イオンソースを制御するためのプロセスのフロー図である。

詳細な説明
特定の典型的な実施形態を詳細に例証する各図に移る前に、本開示が、本説明で記述されるか、又は各図で例証される詳細若しくは方法論に限定されるものではないことを理解されたい。また、本明細書で使用される術語は、説明することのみを目的にするものであり、限定するものと見なされるべきではないことを理解されたい。

一般に、各図を参照すると、重金属イオンソースに関連するシステム及び方法は、様々な例示的な実施形態に基づいて、特に、イオンソースの作動を改善するための、１つ以上の補助ヒーターの使用、及び他の熱管理特徴に基づいて示される。以下に示される主な実施形態は、Ｂｅｒｎａｓイオンソースに関するが、本明細書の教示はまた、Ｆｒｅｅｍａｎイオンソース又は他のタイプのイオンソースにも適合することができる。

イオンソースの実行時間を増加させることはまた、本明細書に記載されるシステム及び方法の目的でもある。いくつかのイオンソースは、例えば、イオンソース内の電極又は他の表面の上の粒子の蓄積に起因して、洗浄作動を実行することができるように頻繁に停止されなければならない。しかしながら、頻繁な停止は、生成量を制限し、望ましくない中断を作り出し、エネルギー的に非効率となる場合がある。説明されるシステム及び方法は、例えば、イオンソース内で金属ガスを効率的にイオン化し、かつ、１つ以上の電極又は他の表面をイオンソース内の凝縮から保護することによって、比較的長い時間量にわたって一定の作動を可能にする。いくつかの実施形態では、本明細書の開示によるイオンソースは、少なくとも数日間、絶え間なく作動することができる。以下に詳細に説明されるように、これらの利点は、１つ以上のヒーター及び他の温度管理特徴の採用及び作動を通じて達成することができる。

本明細書に記載のシステム及び方法の別の目的は、イオンソースから出力されるイオンビームの均質性（例えば、プラズマ均一性）を改善することである。非常に均質なイオンビームは、所望のイオンの高効率な生成及び取り出し、並びに望ましくないイオンによる汚染の最小化と関連し得る。本明細書に記載のシステム及び方法は、最適なプラズマ均一性を提供することが可能である。例えば、本明細書に説明されるシステム及び方法は、イオンソース内の温度勾配を低減又は除去することによって、プラズマ均一性を改善することができる。

例えば、本明細書に説明されるイオンソースのいくつかの実施形態は、高電流均一性を伴う、２０ｍＡ（ミリアンペア）を上回る単一荷電金属イオン電流を有するビームを生成するように構成される。いくつかの実施形態では、所望の同位体のイオン質量は、１７６ａｍｕ（原子質量単位）、例えば、^１７６Ｙｂである。

本開示のこれらの及び他の利点は、様々な図を参照して以下で詳細に説明される。

ここで、図１を参照すると、例示的な実施形態によるイオンソース１００の概略図が示されている。このイオンソース１００は、イオンビーム、例えば、荷電イッテルビウム同位体ビームなどの重金属イオンビームの生成のために構成されている。例えば、イオンソースは、１７６ａｍｕのイオン質量を有するイオンを含む、２０ｍＡを上回る単一荷電金属イオン電流を有するビームを出力するように構成されてもよい。

イオンソース１００は、チャンバー１０２を含むものとして示されており、そこでは、金属ガスのイオン化が行われてイオンビームを生成する。図に示すように、チャンバー１０２は、実質的に長方形の断面を有し、第１の端部１０４、その第１の端部１０４の反対側の第２の端部１０６、第１の端部１０４から第２の端部１０６まで延在する第１の壁１０８、及び第１の壁１０８の反対側の第２の壁１１０を含む。チャンバー１０２は、６面の長方形ボックスを形成するように位置決めされた第３の壁及び第４の壁（後の図に示される）を含むことによって密閉箱として形成され得る。

図１に示すように、イオンソース１００は、第１の壁１０８を通って延在する注入口１１４に接続されたオーブン１１２を含む。このオーブン１１２は、第１の壁１０８内の注入口１１４を介してチャンバー１０２の中に金属ガスを生成及び供給するように構成されている。例えば、オーブン１１２は、イッテルビウムガスを供給することができる。そのガス状態で、金属ガスは、チャンバー１０２に流入し、チャンバー１０２の全体積中に分散し得る。金属ガスは、オーブン１１２によってチャンバー１０２の中に供給されたときには、帯電されていなくてもよい。金属ガスが冷却及び凝縮されると、その金属ガスは、チャンバー１０２の内側の表面上に蓄積する可能性があり、これは、様々な理由から望ましくない可能性がある。例えば、金属蒸気の堆積は、イオンソース１００内の絶縁体をショートさせる可能性がある。別の例として、金属蒸気でコーティングされた表面は、チャンバー１０２内のガスの全体的な濃度に悪影響を及ぼす可能性があり、したがって、イオンソース１００の効率を低下させる可能性がある。本開示の一態様は、イオンソース１００の作動中に、そのような凝縮を最小限に抑えるか、又は除去するための手法を含む。

イオンソース１００はまた、チャンバー１０２の第１の端部１０４に位置決めされたフィラメント１１６も含むものとして示されている。このフィラメント１１６は、そのフィラメント１１６の両端に電圧を供給するように構成された回路に接続され、その電圧は、フィラメント１１６を白熱させる。白熱の状態にある間、フィラメント１１６は、電子（図１には、ｅ^－として示されている）並びに熱（図１には、Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}として示されている）を放出する。いくつかの実施形態では、フィラメント１１６がイオンソース１００の作動のための好ましいレートで電子を放出しているときに、フィラメント１１６は、ほぼ１キロワットの熱をチャンバー１０２中に供給する。フィラメント１１６は、タングステンで作製することができ、ほぼ１．５ミリメートルの直径を有することができる。

電子は、フィラメント１１６からチャンバー１０２の内部へ放出される。フィラメント１１６からの電子のうちの多くは、第２の端部１０６に向かって（すなわち、図１の視点で下向きに）指示する速度で、チャンバー１０２中に放出される。イオンソース１００は、第１の端部１０４に向かって（図１の視点では、上向きに）電子を反射して戻すことができる、第２の端部１０６に位置決めされた反射器電極１１８を含むように示されている。すなわち、反射器電極１１８は、負の電圧に保持され得、その結果、反発電気力が反射器電極１１８と電子との間に作り出される。したがって、フィラメント１１６及び反射器電極１１８の作動により、電子が第２の端部１０６に集まることなく、チャンバー１０２の周りを移動することができる。

したがって、電子及び金属ガスは、両方ともチャンバー１０２中に供給される。金属ガスと電子との間の相互作用により、金属ガスのイオン化が起こる。図１の例では、ガスがチャンバー１０２に供給される注入口１１４は、第１の端部１０４及び第２の端部１０６からほぼ等距離に位置決めされ、かつフィラメント１１６及び反射器電極１１８からほぼ等距離に位置決めされている。この幾何学的形状は、オーブン１１２によって供給されたガスの、最大限に効率的なイオン化を促進することができる。

イオン化されたガスは、チャンバー１０２から、アパーチャ１２０を介してイオンビームとして取り出すことができる。このアパーチャは、様々な実施形態において、細長いスロット若しくはスリット、円形開口部、又はいくつかの他の形状であってもよい。アパーチャ１２０は、注入口１１４と反対側の第２の壁１１０上に位置決めされているものとして示されている。アパーチャ１２０は、第１の端部１０４と第２の端部１０６との間でほぼ等距離にあり得、かつフィラメント１１６と反射器電極１１８との間でほぼ等距離にあり得る。チャンバーからイオンビームを取り出すために、アパーチャ１２０は、アパーチャ１２０の外側に位置決めされ、かつ、イオン化されたガスをチャンバー１０２からイオンビームで引き出すように構成された取り出しイオンデバイスの一部とすることができる。例えば、この取り出しイオンデバイスは、アパーチャ１２０を通って荷電イオンを引き出す電界を作り出す、正に帯電した電極を含むことができる。取り出しイオンデバイスの様々な実施形態においては、様々な取り出しイオン電極構成が可能である。

本開示の一態様は、イオンビームの垂直距離（図１の視点からの）を横切るイオンビームの均質性がその同じ方向にわたるチャンバー１０２内の金属ガスの密度の均質性に依存するという決定である。例えば、より高密度のガスの領域は、より低密度のガスの領域と比較して、チャンバー１０２から、かつアパーチャ１２０を通って引き出される、より多くのイオンを生成することになる。それらのイオンの電荷により、これは、イオンビーム内の金属ガス内の密度勾配に直接対応する電流勾配を作り出すことになる。したがって、イオンソース１００の１つの目的は、金属ガスの密度勾配を最小限に抑えること（すなわち、チャンバー１０２内の金属ガスの密度におけるばらつきを低減して、アパーチャ１２０を介して取り出されたイオンビームの均質性を改善すること）である。

イオンソース内の金属ガスの不均一な密度の１つの潜在的な原因は、金属ガスを横切る温度のばらつきであろう。より高い温度において、金属ガスの密度は、より低く、これに対して、金属ガスの密度は、より低い温度では、より高い。すなわち、イオン化されると、より低い温度における体積は、より高い温度における体積と比較して、アパーチャ１２０を介して取り出すためのより多くのイオンを含み得る。したがって、本開示の一態様は、チャンバー１０２内の温度勾配が、イオンソース１００によって生成されるイオンビームの不均一性を作り出す可能性があるという認識である。

図１に示すように、フィラメント１１６は、イオンソース１００の作動中に白熱しながら、第１の熱量を生成する。このフィラメント熱は、本明細書ではＱ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}として示されている。フィラメント熱は、チャンバー１０２の第１の端部１０４に近接して放出され、したがって、フィラメント熱Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}によって、フィラメント１１６及び第１の端部１０４により近接した領域ほどより高い温度になる、チャンバー１０２にわたる温度勾配を作り出す傾向があり得る。

フィラメント熱Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}を少なくとも部分的に均衡させるために、イオンソース１００は、チャンバー内に位置決めされ、かつ補助熱Ｑ_ａｕｘをチャンバー１０２中に供給するように動作可能である１つ以上のヒーター１２２を含む。例えば、２つのヒーター１２２が含まれてもよい。図１に示すように、１つ以上のヒーター１２２は、チャンバー１０２の第２の端部から、かつ第１の壁１０８に沿って延在することができる。チャンバー１０２の第２の端部に近接して位置決めされることによって、１つ以上のヒーター１２２は、反射器電極１１８の作動を妨げることなく、フィラメント１１６に対向するように幾何学的に構成されている。１つ以上のヒーター１２２は、フィラメント熱Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}を少なくとも部分的に均衡させて、近接しない場合にフィラメント熱によって引き起こされ得るチャンバー１０２内の温度勾配を低減又は除去するような量で補助熱Ｑ_ａｕｘを供給するように動作可能である。例えば、いくつかの実施形態、又はいくつかのシナリオでは、１つ以上のヒーター１２２は、Ｑ_ａｕｘ＝Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}となるように制御される。１つ以上のヒーター１２２のための様々な制御方策が、以下で詳細に説明される。

１つ以上のヒーター１２２の作動はまた、反射器電極１１８上（例えば、反射器電極１１８の絶縁体上）、又はイオンソース１００内の他の表面上における凝縮の形成を低減又は除去することもできる。金属ガスが特定の温度を上回ると、金属ガスは、ガス状のままであり、チャンバー１０２の周りを移動する。しかしながら、特定の温度未満では、金属ガスは、イオンソース１００の表面上で凝縮及び堆積する可能性がある。反射器電極１１８上の凝縮物の蓄積により、反射器電極１１８が意図されたように作動することを妨げる可能性がある。例えば、凝縮した薄膜でコーティングされた場合、反射器電極１１８は、もはやプラズマから電気的に絶縁されることができない。１つ以上のヒーター１２２は、反射器電極１１８に近接して熱を供給し、これは、金属ガス（及び反射器電極１１８自体）の温度を十分な高さに保って、反射器電極１１８上への金属凝縮物の蓄積を防止する。他の表面上（例えば、ヒーター１２２上）の凝縮物の蓄積も、同様に防止される。したがって、イオン生成中の１つ以上のヒーター１２２の作動は、イオンソース１００の作動寿命を延ばすことができ、イオンソース１００が、他の設計によって必要とされるような断続的な洗浄を必要とすることなく、比較的長い時間（例えば、数日）にわたって作動することが可能になり得る。

図１に示すように、イオンソース１００は、イオンソース内の複数の位置に配置された複数の温度センサ（例えば、熱電対）１２４を含む。示された例において、５つの熱電対１２４が、イオンソース内の様々な位置に含まれている。様々な実施形態において、他の数の熱電対１２４が含まれ得る。チャンバー１０２内の複数の位置における温度を測定することによって、イオンソース１００にわたる温度差及び勾配を測定することができる。例えば、フィラメント１１６に近接する温度センサ１２４は、１つ以上のヒーター１２２に近接して位置決めされた温度センサ１２４よりも高い温度を測定する場合があり、これは、１つ以上のヒーター１２２の作動を調整して、Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}をより良好に均衡させ、かつイオンソース１００内の温度勾配を低減又は除去しなければならないことを示し得る。温度センサ１２４は、チャンバー１０２全体にわたって温度の代表的な測定値を取得するように、チャンバー１０２内に配置することができる。したがって、図２～図３を参照して以下で詳細に説明されるように、複数の温度をリアルタイムで監視して、１つ以上のヒーター１２２の制御を容易にすることができる。

イオンソース１００はまた、図１に第１のポスト１２６及び第２のポスト１２８として示された熱伝導性支持ポストを含むことによって、チャンバー１０２内の温度管理も容易にする。他の数の熱伝導性支持ポストが、様々な実施形態において含まれ（例えば、図５～図８に示すように、４つ）、図１の概略図は、例示のために、第１のポスト１２６及び第２のポスト１２８を示している。熱伝導性支持ポスト（例えば、第１のポスト１２６及び第２のポスト１２８）は、以下の節で説明されるように、チャンバー１０２を物理的に支持し（例えば、チャンバー１０２を所望の位置に保持し）、チャンバー１０２から外への熱流を供給するように構成されている。

初期の問題として、イオンソース１００は、例えば、ほぼ６×１０^－７トールの圧力で真空中に位置決めされ、チャンバー１０２が作動中に、２～３×１０^－５にあることが好ましい。したがって、熱がチャンバー１０２を離れるための主要な経路は、チャンバーと接触する任意の物理的構造体を通ることである。したがって、イオンソース１００は、理想的な熱流がチャンバー１０２から支持ポスト１２６、１２８を介して流れ去るように設計される。

イオンソース１００の作動中、フィラメント１１６は、例えば、ほぼ１キロワット程度で、大量の熱Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}をチャンバー１０２中に供給する。ヒーター１２２は、Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}と均衡する補助熱Ｑ_ａｕｘを供給し、Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}とほぼ同様の大きさのものである（例えば、また、ほぼ１キロワット程度でもある）。したがって、チャンバー１０２内の温度が実質的に一定の温度に維持される（例えば、チャンバー１０２が過熱を形成するのを防止する）ような程度に、Ｑ_ａｕｘ＋Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}とほぼ同等である熱量が、イオンソース１００から、熱伝導性支持ポスト１２６、１２８を介して除去される。

熱伝導性支持ポスト１２６、１２８は、高い熱伝導性及び良好な導電性を有する材料で作製されることが好ましい。例えば、熱伝導性支持ポスト１２６、１２８は、モリブデンで作製されてもよい。チャンバー１０２は、支持ポスト１２６、１２８を介して、電気的に接地され得る。図に示すように、第１のポスト１２６は、熱Ｑ_{ｏｕｔ，１}が第１のポスト１２６を介してチャンバー１０２から外へ流出するように設けられ、これに対して、第２のポスト１２８は、熱Ｑ_{ｏｕｔ，２}が第２のポスト１２８を介してチャンバー１０２から外へ流出するように設けられている。（例えば、２つのポストを有する）図示された実施形態では、イオンソース１００の熱力学は、｜Ｑ_{ｏｕｔ，１}＋Ｑ_{ｏｕｔ，２}｜≒｜Ｑ_ａｕｘ＋Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}｜のようであることが好ましい。Ｎ個の熱伝導性ポストが設けられる他の実施形態では、イオンソース１００の熱力学は、｜Ｑ_{ｏｕｔ，１}＋Ｑ_{ｏｕｔ，２}＋・・・Ｑ_{ｏｕｔ，Ｎ}｜≒｜Ｑ_ａｕｘ＋Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}｜のようであることが好ましい。

熱伝導性支持ポスト１２６、１２８は、チャンバー１０２の第１の壁１０８から、冷却システム、例えば、図示されたような水冷システム１３０まで延在する。熱伝導性支持ポスト１２６、１２８は、第１の壁１０８上の異なる位置にあるため、熱流Ｑ_{ｏｕｔ，１}及びＱ_{ｏｕｔ，２}は、幾分同等ではない可能性がある。例えば、第２のポスト１２８は、１つ以上のヒーター１２２に近接して位置決めされ、そのヒーターは、Ｑ_{ｏｕｔ，２}の値がＱ_{ｏｕｔ，１}を上回るようにさせることができる。しかしながら、支持ポスト１２６、１２８は、チャンバー１０２に対して、概して対称に位置決めされ、それによって、熱が支持ポスト１２６、１２８を介してチャンバー１０２から流出するときに、チャンバー１０２内の望ましくない不均衡又は温度ばらつきを作り出すことを回避するように配置される。

水冷システム１３０は、熱伝導性支持ポスト１２６、１２８にわたって水（又は別の流体若しくは冷媒）を循環させて、ポスト１２６、１２８から熱を除去するように構成されている。ポスト１２６、１２８は、流体と直接接触してもよいか、又は１つ以上の中間構造体を介して、熱を流体に伝達してもよい。水冷システム１３０は、イオンソース１００から周囲環境に熱を放散するように構成されている。いくつかの実施形態では、水冷システム１３０は、冷却水（すなわち、周囲よりも冷たい）が支持ポスト１２６、１２８に循環され、支持ポスト１２６、１２８から熱を吸収し、そして冷却機又は他の冷凍システムに戻って再度冷却するように、流体から熱を除去するための冷却機又は他の冷凍システムを含む。他の実施形態では、水冷システム１３０は、冷却機又は冷凍システムを使用することなく、流体から周囲環境への熱伝達を容易にするための熱交換機（例えば、コイル）、及び任意選択的に、ファンを含む。

水冷システム１３０は、熱量を測定するように、すなわち、水冷によって取り出された熱量を測定するように構成することができる。例えば、水冷システム１３０は、供給水温度及びリターン水温度を測定し、それらの測定値を、流量を示すデータと組み合わせて使用して、図１にＱ_{ｏｕｔ，ｔｏｔａｌ}として示されている、水冷システム１３０によって除去された熱量を計算することができる。Ｑ_{ｏｕｔ，ｔｏｔａｌ}の値は、Ｑ_ａｕｘ＋Ｑ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}とほぼ同等であり得ることが好ましく、いくつかの実施形態では、Ｑ_ａｕｘ及びＱ_{ｆｉｌａｍｅｎｔ}を推定するために使用される。いくつかの実施形態では、水冷システム１３０は、Ｑ_{ｏｕｔ，ｔｏｔａｌ}のための設定値に基づいて、フィードバックループを使用して制御される。いくつかの実施形態では、水冷システム１３０は、チャンバー１０２内の温度センサ１２４からの測定値に少なくとも部分的に基づいて制御される。

したがって、イオンソース１００は、イオンソース１００における温度及び熱管理を容易にして、チャンバー１０２から取り出されるイオンビームの均質性も最適化しながら、イオンソース１００の作動時間を最大化する、様々な要素を含む。

ここで、図２を参照すると、例示的な実施形態による、イオンソース１００の１つ以上のヒーター１２２のための制御ループ２００のブロック図が示されている。この制御ループ２００は、熱電対１２４、コントローラ２０２、及びヒーター回路２０４を含むものとして示されている。ヒーター回路２０４は、図１の１つ以上のヒーター１２２の作動に影響を与える、特に１つ以上のヒーター１２２の電力（熱）出力を変化させるように制御可能である１つ以上の電源又は他の電子機器要素を含むことができる。複数のヒーター１２２が含まれる場合、ヒーター回路２０４は、その複数のヒーター１２２が独立して制御され得るように構成することができる。

図２に示すように、コントローラ２０２は、入力（例えば、制御信号）をヒーター回路２０４に提供するように構成されており、これにより、ヒーター回路２０４に、熱電対１２４によって（すなわち、ヒーター１２２の作動を介して）収集された温度測定値に影響を与えるように作動させる。熱電対１２４は、物理システムのその出力（すなわち、温度測定値）をコントローラ２０２に戻すように提供する。様々な実施形態では、測定、制御信号等は、アナログ又はデジタルとすることができる。図２の例示では、実線は、要素間の伝達を表し、破線は、制御ループ２００を作り出す熱力学を示す。

いくつかの実施形態では、コントローラ２０２は、熱電対１２４のための１つ以上の設定値に基づいて、ヒーター回路２０４のための制御入力を生成する。例えば、コントローラ２０２は、フィードバック制御ロジック（例えば、比例積分制御、比例積分微分制御）を使用して、熱電対１２４全てからの測定値を１つの共有された温度設定値に至らせるように構成された制御入力を生成することができる。したがって、コントローラ２０２は、チャンバー１０２内の温度勾配を最小限に抑えるように作動することできる。別の例として、コントローラ２０２は、各熱電対１２４からの測定値を各熱電対１２４についての熱電対固有の設定値に至らせるように構成されている、生成された制御入力に適合されたフィードバック制御ロジックを使用することができる。いくつかの実施形態では、設定値は、例えば、図１０を参照して以下で詳細に説明されるように、イオンビームの測定された特質（例えば、プラズマ均一性）に基づいて学習される。したがって、コントローラ２０２は、イオンビームの特質、例えば、プラズマ均一性を最適化するように作動することができる。

他の実施形態では、コントローラ２０２は、温度設定値間の差をゼロに至らせるように適合される、ヒーター回路２０４のための制御入力を生成するように構成される。例えば、コントローラ２０２は、（例えば、極値探索制御手法を使用して）複数の熱電対１２４からの測定値を比較する誤差関数を最小限に抑える制御入力を生成するように構成することができる。そのような場合、コントローラ２０２は、所定の温度設定値を使用することなく、１つ以上のヒーター１２２にチャンバー１０２内の温度勾配を低減又は除去させるように適合される。様々な実施形態では、様々な制御手法が可能である。

いくつかの実施形態では、ヒーター１２２によって出力された熱を変化させるためのヒーター回路２０４の動的制御は、チャンバー１０２内の温度勾配の所望の低減又は除去を提供し、本明細書に説明される、その低減又は除去と関連する利点を提供するには十分である。そのような実施形態では、制御ループ２００及びコントローラ２０２は、イオンソース１００の他の要素と通信する必要がなく、図２に例示されるように、単独で提供することができる。他の実施形態では、例えば、図３に示すように、また、それを参照して詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、包括的で統一された制御システムを提供することができる。

ここで、図３を参照すると、例示的な実施形態による、イオンソース１００とともに使用するための制御システム３００が示されている。いくつかの実施形態では、制御ループ２００は、制御システム３００を使用して実行される。この制御システム３００は、コントローラ３０２、熱電対１２４、水冷システム１３０、ヒーター回路２０４、フィラメント回路３０４、反射器電極回路３０６、オーブン回路３０８、取り出し回路３１０、ビームアナライザ３１２、及びユーザデバイス３１４を含むものとして示されている。制御システム３００の様々な他の実施形態は、これらの要素の任意の組み合わせを含むことができる。

フィラメント回路３０４は、フィラメント１１６に供給される電力量を制御するように構成された電子機器構成要素を含む。反射器電極回路３０６は、反射器電極１１８によって提供される電界に影響を与えるように構成された電子機器構成要素を含む。オーブン回路３０８は、オーブン１１２の作動に影響を与えるように、例えば、チャンバー１０２中に供給されたガスの温度、及び／又はチャンバー１０２中に供給されたガスの量に影響を与えるように構成された電子機器構成要素を含む。取り出し回路３１０は、アパーチャ１２０を介してチャンバー１０２からビームを取り出すように構成されているアパーチャ１２０において電界を提供し、いくつかの実施形態では、その電界を制御可能に修正するように構成されている。

ビームアナライザ３１２は、イオンソース１００によって生成された、すなわち、アパーチャ１２０によって取り出されたイオンビームの１つ以上の特質を分析するように構成されている。例えば、ビームアナライザ３１２は、イオンビームのプラズマ均一性を測定するように構成されてもよい。ビームアナライザ３１２は、イオンソースによるオンラインイオン生成中に使用可能であってもよいか、又はイオンソース１００のセットアップ（試験、較正等）中に使用されてもよい。

ユーザデバイス３１４は、ユーザがコントローラ３０２と対話すること、例えば、コントローラ３０２の設定値を調整すること、コマンドをコントローラ３０２に提供すること等を可能にするように構成されている。ユーザデバイス３１４はまた、イオンソース１００の作動に関連する情報をユーザに表示するように構成することもできる。

図３の実施形態では、コントローラ３０２は、熱電対１２４、ビームアナライザ３１２、フィラメント回路３０４、反射器電極回路３０６、ヒーター回路２０４、オーブン回路３０８、取り出し回路３１０、水冷システム１３０、及びユーザデバイス３１４と通信する。コントローラ３０２は、例えば、熱電対１２４からの入力、ビームアナライザ３１２からの入力、及び／又は制御システム３００の他の要素からの入力に基づいて、水冷システム１３０、フィラメント回路３０４、反射器電極回路３０６、ヒーター回路２０４、オーブン回路３０８、及び／又は取り出し回路３１０の制御を連携するように構成されている。コントローラ３０２は、イオンソース１００の温度及び熱管理のために主に構成することができるだけでなく、イオンソース１００の作動の他の態様、例えば、イオン化及び取り出しに関連する様々な制御機能を提供することもできる。

様々な実施形態においてコントローラ３０２によって提供することができる連携された制御の一例として、コントローラ３０２は、ヒーター回路２０４の制御と連携して、水冷システム１３０を制御することができ、例えば、水冷システム１３０に、１つ以上のヒーター１２２によって供給された熱の量の変化に比例して、支持ポスト１２６、１２８に供給される冷却の量を変化させることができる。したがって、水冷システム１３０及び１つ以上のヒーター１２２の制御は、連携又は統一されて、イオンソース１００の温度を管理することに役立つことができる。

コントローラ３０２によって提供することができる連携された制御の別の例として、コントローラ３０２は、フィラメント１１６の消費電力を示す、フィラメント回路３０４からの信号を受信することができる。コントローラ３０２は、その情報を使用して、ヒーター回路２０４のための制御信号を生成することができ、例えば、１つ以上のヒーター１２２は、（例えば、同じ熱量を生成するための、）フィラメント１１６と同じか又は同様の電力レベルで作動するように制御することができる。コントローラ３０２は、ヒーター回路２０４、又は制御システム３００の他の態様を制御するときに、オーブン回路３０８と通信して、オーブンによってチャンバー１０２に供給される熱を考慮することができる。

図３の制御システム３００によって可能にされる制御の別の例として、コントローラ３０２は、水冷システム１３０、フィラメント回路３０４、反射器電極回路３０６、ヒーター回路２０４、オーブン回路３０８、及び／又は取り出し回路３１０のうちの１つ以上のフィードバック制御において、ビームアナライザ３１２からの測定値を使用することが可能であり得る。例えば、ヒーター回路２０４は、ビームアナライザ３１２によって測定されたパラメータ、例えばプラズマ均一性、を最適化しようと努めるフィードバックループ内のコントローラ３０２によって制御することができる。別の例として、ビームアナライザ３１２は、セットアップ（例えば、訓練、構成、較正）段階において使用されて、コントローラ３０２を訓練する（例えば、コントローラ３０２によって使用されたアルゴリズムの値、重み付け等を決定する）ことができ、このため、コントローラ３０２は、水冷システム１３０、フィラメント回路３０４、反射器電極回路３０６、ヒーター回路２０４、オーブン回路３０８、及び／又は取り出し回路３１０のうちの１つ以上を制御して、イオンビームのプラズマ均一性（又は他のパラメータ）を最適化することができる。

制御システム３００は、様々な実施形態において、そのような様々な制御様相を可能にすることができる。

ここで、図４～図８を参照すると、イオンソース１００の例示的な実施形態の様々な描写が示されている。特に、図４は、イオンソース１００の切り取り斜視図を示し、図５Ａは、イオンソース１００の外部の斜視図を示し、図５Ｂは、代替的な実施形態におけるイオンソース１００の外部の斜視図を示し、図６～図８は、３つの直交視点からの、イオンソース１００の透視図を示している。

図４～図８は、図１を参照して上述したように、第１の端部１０４、その第１の端部１０４の反対側の第２の端部１０６、第１の端部１０４から第２の端部１０６まで延在する第１の壁１０８、及び第１の壁の反対側の第２の壁１１０によって画定されたチャンバー１０２を示している。図５Ａ～図５Ｂでは、第３の壁５０２は、見ることができ、第１の端部１０４、第２の端部１０６、並びに第１の壁１０８、及び第２の壁１１０に接続している。チャンバー１０２の第４の壁７０２は、図７及び図８において見ることができ、第３の壁５０２の反対側に位置決めされ、また、第１の端部１０４、第２の端部１０６、第１の壁１０８、及び第２の壁１１０にも接続している。したがって、チャンバー１０２は、図示されている例では、６面の長方形ボックスとして形成されている。他の実施形態では、他の形状が可能である。

図４～図９はまた、チャンバー１０２の第１の壁１０８から延在する第３のポスト４２６及び第４のポスト４２８も示している。第３のポスト４２６及び第４のポスト４２８は、上述した第１のポスト１２６及び第２のポスト１２８と実質的に同じものとして構成されている。例えば、第１のポスト１２６、第２のポスト１２８、第３のポスト４２６、及び第４のポスト４２８は、ほぼ同等の寸法を有し得、熱伝達のためのほぼ等価な経路を提供し得る（例えば、製造公差未満によって異なる）。第１のポスト１２６と同様に、第３のポスト４２６は、チャンバー１０２の第１の端部１０４、及びフィラメント１１６に近接して位置決めされている。第２のポスト１２８と同様に、第４のポスト４２８は、チャンバー１０２の第２の端部１０６、及びヒーター１２２に近接して位置決めされている。

第１のポスト１２６、第２のポスト１２８、第３のポスト４２６、及び第４のポスト４２８は、図４～図９に、チャンバー１０２の第１の壁１０８からプレート４０２まで延在するものとして示されている。このプレートは、熱伝導性があり得、このため、熱は、ポスト１２６、１２８、４２６、４２８からプレート４０２中に流れることができる。次いで、プレート４０２は、図１を参照して説明されたように、水冷システム１３０と熱接触しているため、熱が水冷システム１３０に放散することができる。いくつかの実施形態では、第１のポスト１２６、第２のポスト１２８、第３のポスト４２６、及び第４のポスト４２８は、図４に示すように、第１の壁１０８を通ってチャネル４３０を介してチャンバー１０２の内部と直接熱接触することができる。

プレート４０２は、例えば、図５Ａ～図５Ｂに示すように、オーブン１１２が延在することができる中央開口部４０３を有する。これにより、オーブン１１２が、オーブン１１２からチャンバー１０２まで金属ガスを経路設定しながら、チャンバー１０２に対してプレート４０２の反対側に主に位置決めされることが可能になる。この配置により、オーブン１１２が、図１の概略図に示されたものよりもはるかに大きくすることが可能になる。

図４～図８に示すように、イオンソースは、第１のヒーター１２２ａ及び第２のヒーター１２２ｂとして示された２つのヒーター１２２を含む。ヒーター１２２ａ、ｂは、円筒形であり、チャンバー１０２のコーナーから延在するものとして示されている。特に、第１のヒーター１２２ａは、第２の端部１０６から、第１の壁１０８と第３の壁５０２との間の縁端部に沿って延在し、これに対して、第２のヒーター１２２ｂは、第２の端部１０６から、第１の壁１０８と第４の壁７０２との間の縁端部に沿って延在する。ヒーター１２２ａ、ｂの高さは、ヒーター１２２ａ、ｂがオーブン１１２からガスの注入口１１４のすぐ下方で終了するように選択することができる。ヒーター１２２ａ、ｂは、イオンソースのセンターラインに対して対称であるものとして示されている。いくつかの実施形態では、イオンソースは、センターラインに対して実質的に対称である。いくつかの実施形態では、第１のヒーター１２２ａ及び第２のヒーター１２２ｂは、金属セラミック抵抗型ヒーターである。

図４～図８は、第１のヒーター１２２ａから延在する第１のヒーターリード線４０４、及び第２のヒーター１２２ｂから延在する第２のヒーターリード線４０６を示している。第１のヒーターリード線４０４は、（第１のヒーター１２２ａが熱を生成するために使用する）第１のヒーター１２２ａへの電力の伝達を提供し、一方、第２のヒーターリード線４０６は、（第２のヒーター１２２ｂが熱を生成するために使用する）第２のヒーター１２２ｂへの電力の伝達を提供する。第１のヒーターリード線４０４及び第２のヒーターリード線４０６は、図２～図３に示されたヒーター回路２０４に接続され得、かつ／又はそのヒーター回路とともに含まれ得、そのヒーター回路は、第１のヒーター１２２ａ及び第２のヒーター１２２ｂに、変更可能及び制御可能な電力量を提供するように構成された電子機器構成要素を含むことができる。第１のヒーターリード線４０４及び第２のヒーターリード線４０６は、チャンバー１０２の第２の端部１０６を通って形成された通路５０４を通って延在するものとして示されている。いくつかの実施形態では、ガスケット又は他の封止構造体が、通路５０４に設けることができる。

図４～図８はまた、第２の壁１１０と第３の壁５０２との間の端部を介して、チャンバー１０２中に延在する第１の配線導管５０５及び第２の配線導管５０６も示している。第１の配線導管５０５及び第２の配線導管５０６は、チャンバー１０２内に位置決めされた温度センサ（例えば、熱電対）１２４に接続され、温度センサ１２４によって収集された測定値の伝達を、チャンバー１０２から外へ提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、各配線導管５０５、５０６は、１つの温度センサ１２４に接続される。他の実施形態では、各配線導管５０５、５０６は、複数の温度センサ１２４に接続され、その結果、第１の配線導管５０５及び第２の配線導管５０６は、組み合わされて、チャンバー１０２から外へ、４つ以上の温度センサ１２４（例えば、図１のような５つの温度センサ１２４）の読み取り値の伝達を提供する。第１の配線導管５０５及び第２の配線導管５０６は、様々な実施形態において、図２のコントローラ２０２、又は図３のコントローラ３０２に接続することができる。

また、図５Ａ～図５Ｂに、反射器電極リード線５０８も示されている。この反射器電極リード線５０８は、チャンバー１０２の外部上に位置決めされて、技術者が反射器電極リード線５０８を操作するための容易なアクセスを提供する。図５Ａ～図５Ｂに示すように、反射器電極リード線５０８の一端は、反射器電極１１８と電気的に接触している。反射器電極リード線５０８はまた、フィラメント１１６に接続されて、反射器電極１１８を、フィラメント１１６の電位に対応する電位に置いている。例えば、反射器電極リード線５０８は、ほぼ－１００Ｖとすることができる。反射器電極１１８は、それによって、図１を参照して上述したように、電子を反発するように構成することができる。反射器電極リード線５０８はまた、反射器電極１１８から手動で取り外すこともでき、その結果、反射器電極１１８は、チャンバー１０２の外部の電流に接続されず、電気的に浮いた状態となる。この構成は、イオンソース１００の使用のためのいくつかのシナリオにおいて望ましい場合がある。

図５Ａ～図５Ｂはまた、オーブン１１２の要素を制御回路に接続するように構成されたオーブンリード線５１１も示している。例えば、オーブンリード線５１１を使用して、チャンバー１０２に供給された金属ガスの量を制御することができるバルブを制御してもよい。図５Ａ～図５Ｂはまた、ガス管線５１０も示しており、これは、オーブン１１２に近接してチャンバー１０２に接続され、イオンビームを生成するためのイオンソース１００の作動中か、又はイオンソース１００の洗浄若しくは他のオフライン状態中のいずれかで、補助ガス（例えば、キセノン）をチャンバー１０２に供給することができる。

図５Ａ～図５Ｂはまた、ボルト５１２も示しており、このボルトは、本明細書に記載された様々な構成要素をアセンブリ内でともに保持するように構成されている。特に、図５Ａ～図５Ｂは、ボルト５１２を、アパーチャ１２０に近接するチャンバーに係合し、かつ、水冷システム１３０及び／又はプレート４０２に近接するオーブン１１２に係合するものとして示している。

アパーチャ１２０に関して、図４、図５Ａ、及び図６～図８は、アパーチャ１２０を、チャンバー１０２のセンターラインに整列された細長いスロットとして示している。そのような実施形態では、アパーチャ１２０は、第２の壁１１０の長手方向に沿った長さを有する。そのような実施形態では、アパーチャ１２０の幅は、その長さよりも著しく小さい。例えば、アパーチャ１２０は、１センチメートルよりも小さい幅、及びほぼ４センチメートルの長さを有するスロットとして形成することができる。図５Ｂは、円形のアパーチャ１２０が、例えば、ほぼ１センチメートルの半径を有する代替的な実施形態を示している。例えば、イオンソース１００によって生成されるイオンビームのための下流処理段階の構成に応じて、様々な設計のアパーチャ１２０が、様々な応用分野で可能である。例えば、図５Ａの細長いスロットの実施形態は、本明細書に説明される主な応用分野に対して好ましい場合がある。いくつかの実施形態では、異なるアパーチャ１２０が交換可能であり、例えば、チャンバー１０２の第２の壁１１０でのアパーチャ放出プレートを取り外して交換することによって、イオンソース１００が、イオンソース１００によって生成されたイオンビームのための異なる下流処理段階と選択的に互換性があることを可能にする。

ここで、図９を参照すると、例示的な実施形態による、イオンソースを作動させるためのプロセス９００のフローチャートが示されている。このプロセス９００は、イオンソース１００を使用して実行することができ、例えば、以下の説明で、そのプロセスに対する参照が行われる。しかしながら、プロセス９００は、様々な実施形態において、他のイオンソースを用いて実行可能であり得る。同様に、いくつかの実施形態では、プロセス９００は、図２～図３の制御ループ２００及び／又は制御システム３００の作動によって、少なくとも部分的に実行される。

ステップ９０２において、金属ガスが、チャンバー中に供給される。その金属ガスは、例えば、イッテルビウムガスであってもよい。上述したイオンソース１００の例では、ステップ９０２は、オーブン１１２を作動させて、注入口１１４を介して金属ガスをチャンバー中に供給することを含む。ステップ９０２は、チャンバー中に供給された金属ガスの量を制御することを含むことができ、その結果、例えば、金属ガスの所望の流量がチャンバー中に供給される。

ステップ９０４において、金属ガスは、イオン化される。イオンソース１００の例では、フィラメント１１６は、金属ガスと相互作用して金属ガスをイオン化する電子を放出するように作動する。ステップ９０４の結果として、重金属イオンがチャンバー１０２内に保持され、例えば、未だイオン化されていないガスと混合する。

ステップ９０６において、１つ以上の補助ヒーターが、チャンバー内の温度勾配、すなわち、チャンバー内の複数の箇所にわたる温度の差又は範囲を低減又は除去するように作動する。ステップ９０６は、上で詳細に説明されたように、１つ以上のヒーター１２２を制御して、チャンバー１０２内に補助熱を供給することを含むことができる。いくつかの実施形態では、ステップ９０６は、チャンバー全体にわたって温度勾配を低減又は除去することに焦点を当てている。他の実施形態では、ステップ９０６は、チャンバーの一部の体積内、例えば、ステップ９０８でイオンビームが取り出されたチャンバーのアパーチャに近接する領域内の温度勾配を低減又は除去することに焦点を当てている。

いくつかの実施形態では、ステップ９０６は、チャンバー内の複数の箇所から温度測定値を収集し、その測定値に基づいて１つ以上の補助ヒーターを制御することを含む。例えば、チャンバー内の温度勾配を実質的に除去するか又は除去しようと試みるために、補助ヒーターは、温度測定値を、共有された共通の設定値に至らせるよう制御されてもよい。別の例として、補助ヒーターは、チャンバー内の異なる箇所からの温度測定値を、複数の異なる設定値に至らせるように制御されてもよく、この複数の異なる設定値は、チャンバー内の低減される温度勾配に対応し得、学習又は最適化プロセスを通じて決定することができる。別の例として、補助ヒーターは、複数の温度測定値の間の差を特徴付ける誤差関数を最小限に抑えるように構成された制御ロジックを使用して制御することができる。更に別の例では、ステップ９０６は、イオンソースの正常な作動中にフィラメントを白熱することによって生成された熱と均衡するように選択される所定の電力レベルで補助ヒーターを作動することを含む。

したがって、ステップ９０６の結果として、チャンバーは、実質的に等温になり得、すなわち、チャンバー全体にわたってほぼ同じ温度を有し得るか、又は、補助ヒーターがステップ９０６で作動されないシナリオよりも等温状態に近い可能性がある。金属ガスの温度と密度との間の物理的関係の理由から、ステップ９０６はまた、１つ以上の補助ヒーターを作動させて、チャンバー内のイオン化された金属ガスの密度勾配（すなわち、密度の差）を低減又は除去することとして特徴付けることもできる。ステップ９０６、及び補助ヒーターの作動は、それによって、少なくともイオンチャンバーのアパーチャに近接する領域内において、実質的に均一な密度を有するイオン化されたガスを供給することができる。

ステップ９０８において、イオンビームが、イオンチャンバーから取り出される。そのイオンビームは、アパーチャを介してチャンバーから外へ荷電重金属イオンを引き出す、チャンバーのアパーチャにおける電界を提供することによって、取り出すことができる。ステップ９０８の正常な実行により、イオンの密度がアパーチャに近接して実質的に均一であるため、イオンビームは、高度な均一性を伴って供給され得る。例えば、イオンビームの横方向のどんな電流も、最小限に抑えることができる。イオンチャンバーから取り出されたイオンビームは、最適化されたプラズマ均一性を有することができる。したがって、イオンチャンバーから取り出されたイオンビームは、様々な実施形態では、各種の目的、例えば、イオンビームの下流処理ステップにおける効率的かつ有効な処理に十分適する可能性がある。一例として、イオンビームは、例えば、イッテルビウム１７６のイオンビームからの所望の同位体の、効率的かつ正確なフィルタリングに十分適する可能性がある。

図９に一連として示されたステップ９０２、９０４、９０６、及び９０８は、同時に実行されて、高度に均一なイオンビームの連続的な生成を提供することができる。この点に関して、ステップ９０６における補助ヒーターの作動は、イオンソース内の表面上、例えば、反射器電極上での金属ガスの望ましくない凝縮を低減又は防止するという追加の利点を有することができる。したがって、ステップ９０２、９０４、及び９０８と同時にステップ９０６を実行することは、プロセス９００が連続的に実行することができる持続時間を延ばすことができる。場合によっては、プロセス９００は、無期限に、かつ／又は少なくとも数日の連続期間の間、実行される可能性がある。

ここで、図１０を参照すると、例示的な実施形態による、イオンソースの補助ヒーターを制御するためのプロセス１０００のフロー図が示されている。このプロセス１０００は、上述したイオンソース１００に関して、又は、例えば、いくつかの他のイオンソースについて実行することができる。プロセス１０００は、図３の制御システム３００によって、かつ／又は、いくつかの実施形態では、図２の制御ループ２００の構成の一部として実行することができる。

ステップ１００２において、イオンソースは、イオンビームを生成するように作動する。例えば、ステップ１００２は、プロセス９００に対応することができる。例えば、金属ガスが、Ｂｅｒｎａｓイオンソース内でイオン化され得、そのイオンは、イオンソースのアパーチャから放出されたビームとして、イオンソースから取り出すことができる。

ステップ１００４において、イオンビームのプラズマ均一性が測定される。例えば、イオンビームのプラズマ均一性を直接測定することができるビームアナライザデバイスが提供され得る。このビームアナライザデバイスは、イオンビームのための他の下流処理段階の作動を中断又は防止することができ、その結果、ステップ１００４は、イオンソースのための起動（構成、較正、試験、訓練）時期に関連する。プラズマ均一性の複数の測定値が収集されて、例えば、図３のコントローラ３０２に、又はいくつかの他のコンピュータ可読媒体内に、経時的に記憶することができる。

ステップ１００６において、温度は、イオンソース内の複数の位置において測定される。ステップ１００６は、ステップ１００４と同時に実行することができる。ステップ１００６は、イオンソース１００のチャンバー１０２内の複数の位置に位置決めされている温度センサ（例えば、熱電対）１２４から測定値を受信することを含むことができる。各温度測定値は、特定のセンサ及び／又は位置、並びに収集時刻に関連付けられ、その結果、特定の時刻に対する温度測定値のサンプルは、その特定の時刻に測定されたプラズマ均一性に関連付けることができる。

ステップ１００４及び１００６は、堅牢なデータセットを収集するのに十分な持続時間の間、同時に実行することができ、そのデータセットには、複数の時間ステップの各々について、時間ステップについての、イオンソース内の複数の位置についての複数の温度測定値のセット、及び、時間ステップについてのイオンビームのプラズマ均一性の測定値が含まれる。いくつかの実施形態では、ステップ１００４及び１００６が実行されている間に訓練実験が実行され、その中で、補助ヒーターは、例えば、ステップ１００４及び１００６において捕捉されたデータが、補助ヒーターの全体的な作動容量に及ぶサンプルを含むように、複数の位置における温度測定値の広い範囲の変動を引き起こすように制御される。その実験は、温度変化の影響時に、プラズマ均一性に対応する変化をもたらすことが期待されるべきである。

ステップ１００８において、最適なプラズマ均一性に対応する、イオンソース内の（例えば、複数の温度センサの）複数の位置の温度設定値が決定される。例えば、ステップ１００４及び１００６において収集されたデータセットを検索して、データ収集中に測定された最良のプラズマ均一性を見つけることができ、対応する時間ステップの測定された温度が、温度設定値として選択することができる。別の例として、機械学習、ニューラルネットワーク、回帰、最適化、数値解析、又は他のモデル化若しくはデータ処理手法を使用して、ステップ１００４及び１００６で収集されたデータに基づいて、最適なプラズマ均一性を有するイオンビームを発生させるための最適な温度設定点を決定することができる。

他の実施形態では、ステップ１００４、１００６、及び１００８は、同時に実行され、ステップ１００８は、１つ以上のヒーターを制御して、最適な（最良の、極値の、最大の）測定されたプラズマ均一性を捜し求めることを含む。そのような実施形態では、１つ以上のヒーターの作動は、最適なプラズマ均一性がビームアナライザによって測定されるまで調整される。この最適な状態が達成されると、１つ以上のヒーターの電流設定値は、１つ以上のヒーターの最適な設定値として決定することができる。例えば、その状態で１つ以上のヒーターに供給される電力量は、１つ以上のヒーターのための最適な設定値として決定され得、１つ以上のヒーターのオンライン制御のために使用され得る。別の例として、イオンソースが最適なプラズマ均一性を有するイオンビームを生成するように調整されたときに、チャンバー１０２内の様々な位置におけるセンサ１２４によって測定された温度は、１つ以上のヒーターのオンライン制御で使用するための温度設定値として決定することができる。

ステップ１０１０において、補助ヒーターは、ステップ１００８で決定された温度設定値、及びイオンソースからの温度測定値を使用して、フィードバックループ内で制御される。例えば、図２のような制御ループ２００を使用することができる。ステップ１０１０は、イオンソースのオンライン作動に対応して、イオンビームのための下流処理ステップで使用されるイオンビームを生成することができる。ステップ１００２、１００４、１００６、及び１００８の訓練段階は、結果として、ステップ１０１０での１つ以上の補助ヒーターのオンライン制御が、イオンビームに、イオンソースによって達成され得る最適なプラズマ均一性を有するイオンビームを提供することとなる。

ステップ１０１０は、温度値、及びプラズマ均一性の測定値に焦点を当てているが、プロセス１０００は、追加の又は他の入力（例えば、オーブン１１２、フィラメント１１６、反射器電極１１８、取り出しイオンデバイス等の作動のための設定値、若しくはその作動に関連する測定値）又は出力（例えば、イオンビームの他の特質）を考慮し、かつ、制御システム３００の様々な要素のための制御ロジックを訓練するように適合され得る。そのような全てのバリエーションは、本開示の範囲内である。

本明細書で利用される場合、「ほぼ」、「約」、「実質的に」、及び類似の用語は、この開示の主題が属する当業者によって、一般的に、かつ受け入れられる使用法と調和して、広い意味を有することが意図されている。これらの用語は、特定の特徴の説明が、これらの特徴の範囲を、提供された正確な数値、又は理想化された幾何学的形状に限定することなく、記載及び特許請求されることができることを意図されていることが、この開示を再検討する当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、記載及び特許請求された主題の実質的でない又は重要でない修正又は変更が、添付の特許請求の範囲に列挙されるような本開示の範囲内であると見なされることを示すものとして解釈されるべきである。

本明細書で使用される場合、「結合された」という用語及びそのバリエーションは、２つの部材を互いに直接的又は間接的に接合することを意味する。そのような接合は、静止的（例えば、恒久的若しくは固定式）又は可動的（例えば、取り外し可能若しくは解放可能）であってもよい。このような接合は、互いに直接結合された２つの部材、別個の中間部材、及び互いに結合された任意の追加の中間部材を使用して、２つの部材が互いに結合されるか、又は２つの部材のうちの一方と一体化して単一の本体として形成されている中間部材を使用して、互いに結合された２つの部材、を用いて達成することができる。「結合された」又はそのバリエーションが、追加の用語によって修飾された場合（例えば、直接結合された）、上で提供された「結合された」の包括的な定義は、追加の用語の普通の言語の意味によって修飾され（例えば、「直接結合された」は、いかなる別個の中間部材もない、２つの部材の接合を意味する）、その結果、上で提供された「結合された」の包括的な定義よりも狭い定義になる。そのような結合は、機械的、電気的、又は流体的であってもよい。

本明細書における要素の位置（例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」）への言及は、単に、図面内の様々な要素の配向を説明するためのみに使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態に従って異なる可能性があること、及びそのようなバリエーションは、本開示によって包含されることが意図されることに留意されたい。

本明細書に開示された実施形態と併せて説明された様々なプロセス、作動、例示的なロジック、論理ブロック、モジュール、及び回路を実装するために使用されるハードウェア及びデータ処理構成要素は、汎用のシングル又はマルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、若しくは他のプログラム可能なロジックデバイス、個別のゲート若しくはトランジスタロジック、個別のハードウェア構成要素、又は、本明細書に記載された機能を実行するために設計されたこれらの任意の組み合わせを用いて、実装又は実行することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサ、又は、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、若しくは状態機械であってもよい。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと併せた１つ以上のマイクロプロセッサ、又は任意の他のそのような構成として実装することもできる。いくつかの実施形態では、特定のプロセス及び方法は、所与の機能に固有の回路によって実行することができる。メモリ（例えば、メモリ、メモリユニット、記憶デバイス）は、本開示に記載された様々なプロセス、レイヤ、及びモジュールを完成又は促進するためのデータ及び／又はコンピュータコードを記憶するための１つ以上のデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスクストレージ）を含むことができる。メモリは、揮発性メモリ若しくは不揮発性メモリであってもよく、又はこれらを含んでもよく、データベース構成要素、オブジェクトコード構成要素、スクリプト構成要素、又は、本開示に記載された様々なアクティビティ及び情報構造をサポートするための任意の他のタイプの情報構造を含むことができる。例示的な実施形態によれば、メモリは、処理回路を介してプロセッサに通信可能に接続され、本明細書に記載された１つ以上のプロセスを（例えば、処理回路又はプロセッサによって）実行するためのコンピュータコードを含む。

本開示は、様々な作動を達成するための、任意の機械可読媒体上の方法、システム、及びプログラム製品を想定する。本開示の実施形態は、既存のコンピュータプロセッサを使用して、又はこの若しくは別の目的のために組み込まれた、適切なシステムのための専用コンピュータプロセッサによって、又はハードワイヤードシステムによって実装することができる。本開示の範囲内の実施形態は、上部に記憶された機械実行可能命令又はデータ構造体を搬送又は有するための機械可読媒体を備えるプログラム製品を含む。そのような機械可読媒体は、汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータ、又はプロセッサを備えた他の機械によってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体とすることができる。例として、そのような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶デバイス、あるいは、機械実行可能命令又はデータ構造体の形態で所望のプログラムコードを搬送又は記憶するために使用することができ、かつ、汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータ、又はプロセッサを備えた他の機械によってアクセスすることができる、任意の他の媒体を含むことができる。上記の組み合わせもまた、機械可読媒体の範囲内に含まれる。機械実行可能命令は、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は専用処理機械に、特定の機能又は機能グループを実行させる命令及びデータを含む。

図及び説明は、方法ステップの特定の順序を例示することができるが、そのようなステップの順序は、特段上記と異なっていると指定されない限り、図示及び説明されている順序と異なってもよい。また、特段上記と異なる方法であると指定されない限り、２つ以上のステップが、同時に、又は部分的に同時に実行されてもよい。このようなバリエーションは、例えば、選択されたソフトウェア及びハードウェアシステム、並びに設計者の選択に依存する可能性がある。そのような全てのバリエーションは、本開示の範囲内である。同様に、本記載の方法のソフトウェア実施態様は、ルールベースのロジック及び他のロジックを伴う標準的なプログラミング技法を用いて達成され得、様々な接続ステップ、処理ステップ、比較ステップ、及び決定ステップを達成することができる。

Claims (20)

1. 第１の端部、前記第１の端部の反対側の第２の端部、前記第１の端部から前記第２の端部まで延在する第１の壁、及び前記第１の壁の反対側の第２の壁を有する、チャンバーと、
   前記チャンバーの前記第１の端部にあり、かつ電子及び第１の熱量を放出するように構成された、ソースフィラメントと、
   前記チャンバーの前記第２の壁におけるビームアパーチャと、
   前記チャンバー内に、かつ前記第２の端部と前記ビームアパーチャとの間に位置決めされ、かつ第２の熱量を供給するように動作可能である、１つ以上のヒーターと
   を備えるイオンソースであって、
   前記第２の熱量が前記第１の熱量と均衡して、前記チャンバー内の温度勾配を低減又は除去するように、前記１つ以上のヒーターが位置決めされ、かつ動作可能である、
   前記イオンソース。
2. 前記チャンバー内に分配された複数の熱電対と、
   前記複数の熱電対からの出力に基づいた、前記１つ以上のヒーターの閉ループ制御を提供するように構成された、コントローラと
   を更に備える、請求項１に記載のイオンソース。
3. 前記チャンバーの前記第２の端部にあり、かつ前記第２の端部から離れる方向に前記電子を反射するように構成された、反射器電極
   を更に備える、請求項１に記載のイオンソース。
4. 前記１つ以上のヒーターの作動が、前記反射器電極の絶縁体上での凝縮を低減又は除去する、請求項３に記載のイオンソース。
5. 前記チャンバーの前記第２の壁にガス注入口を更に備え、前記ガス注入口が、前記ビームアパーチャと位置合わせされている、請求項１に記載のイオンソース。
6. 前記１つ以上のヒーターが、前記チャンバーの前記第２の端部から、かつ前記チャンバーの前記第１の壁に沿って延在する第１の円筒形ヒーターを含む、請求項１に記載のイオンソース。
7. 前記１つ以上のヒーターが、前記チャンバーの前記第２の端部から、かつ前記チャンバーの前記第１の壁に沿って延在する第２の円筒形ヒーターを含み、前記第２の円筒形ヒーターが、前記第１の円筒形ヒーターから離間されている、請求項６に記載のイオンソース。
8. 前記チャンバーの前記第１の壁に結合され、かつ前記チャンバーから離れる方向に延在する複数の支持ポスト
   を更に備えており、前記複数の支持ポストが、前記チャンバーから外への熱伝達のための均一な経路を提供する、請求項１に記載のイオンソース。
9. 水冷システムを更に備え、
   前記複数の支持ポストが、前記チャンバーから前記水冷システムまで延在しており、
   前記水冷システムが、前記複数の支持ポストから熱を除去するように構成されている、
   請求項８に記載のイオンソース。
10. 前記水冷システムが、前記水冷システムによって前記複数の支持ポストから除去された熱を測定するように更に構成されている、請求項９に記載のイオンソース。
11. 前記第１の壁内の注入口を介して前記チャンバー中にイッテルビウムガスを供給するように構成されたオーブンを更に備える、請求項１に記載のイオンソース。
12. 前記ビームアパーチャから放出されたイオンビームのプラズマ均一性を測定するように構成された試験デバイスを更に備えており、前記１つ以上のヒーターのための制御が、前記プラズマ均一性に基づいて調整される、請求項１に記載のイオンソース。
13. 前記第２の熱量が、前記第１の熱量と実質的に同等である、請求項１に記載のイオンソース。
14. 前記チャンバー内の温度勾配を低減又は除去することが、前記ビームアパーチャから放出されたイオンビーム内の不均一な電流の低減又は除去をもたらす、請求項１に記載のイオンソース。
15. 金属ガスをチャンバー中に供給することと、
    フィラメントに電力を供給して、前記チャンバー内で前記フィラメントに電子を放出させることによって、前記金属ガスをイオン化することであって、前記フィラメントに電力を供給することは、前記フィラメントが、前記チャンバーの第１の端部に近接する前記チャンバーに熱を加えることを引き起こす、前記イオン化することと、
    前記チャンバー内に位置決めされた１つ以上のヒーターを作動させることによって、前記チャンバー内の温度勾配を低減又は除去することであって、前記１つ以上のヒーターが、前記チャンバーの内側に位置決めされ、かつ前記第１の端部の反対側の、前記チャンバーの第２の端部から延在する、前記低減又は除去することと、
    前記フィラメントと前記１つ以上のヒーターとの間に位置決めされたアパーチャを介して、前記チャンバーからイオンビームを取り出すことと
    を含む、方法。
16. 前記１つ以上のヒーターを作動させることが、前記１つ以上のヒーターに、前記フィラメントによって前記チャンバーに加えられた前記熱と均衡させることを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記チャンバー内の複数の位置における温度を測定することを更に含み、
    前記１つ以上のヒーターを作動させることが、前記チャンバー内の前記複数の位置における温度に基づいて、前記１つ以上のヒーターを制御することを含む、
    請求項１５に記載の方法。
18. 前記アパーチャを通って取り出された前記イオンビームのプラズマ均一性を測定することと、
    前記プラズマ均一性の測定値に基づいて、前記チャンバー内の前記複数の位置における温度のための設定値を決定することであって、前記設定値が、最適なプラズマ均一性に関連付けられている、前記決定することと
    を更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記１つ以上のヒーターを制御して、前記複数の位置における温度を前記設定値に至らせることを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 複数の支持ポストによって前記チャンバーに熱的に結合された水冷システムを作動させることによって、前記チャンバーから熱を除去することを更に含む、請求項１５に記載の方法。

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