JP5210313B2 - イオン注入装置のターミナル構造 - Google Patents

Description

本発明は、イオン注入に関し、より詳しくは、イオン注入装置のターミナル構造に関する。

イオン注入は、不純物を半導体ウェハに導入するための標準的な技法である。所望な不純物材料をイオン源内にてイオン化し、これにて得られたイオンを、所定エネルギーのイオンビームを形成すべく加速し、このイオンビームをウェハの前面に向けることができる。ビームのエネルギーイオンは半導体材料のバルク中に浸透し、半導体材料の結晶格子に埋め込まれる。イオンビームは、ビームの移動、ウェハの移動、又はビームとウェハとの組み合わせ移動によってウェハ領域上に分散させることができる。

イオン注入装置はターミナル構造を有することがある。このターミナル構造は、“ターミナル”又は“高電圧ターミナル”と技術的に称されることがよくあり、これは、金属のような導電材料で作られる。ターミナル構造は、キャビティを画成するさまざまな形状とすることができ、イオン源はこのキャビティ内に少なくとも部分的に配置される。ターミナル構造は、イオン源からのイオンを加速しやすくするためにターミナル電圧に付勢することができる。イオン注入装置のターミナル構造も、他のコンポーネントも、またサブシステムも、典型的には接地包囲体によって囲まれる。従って、接地包囲体は、イオン注入装置が稼働している際に、要員を高電圧の危険から守ると共に、イオン注入装置のコンポーネント及びサブシステムを保護する。

ターミナル構造を接地包囲体から絶縁するのに、従来は、空気を用いていた。しかしながら、接地包囲体のサイズは、製造する半導体の体積で制限されるから、ターミナル構造と接地包囲体との間の空隙の距離には制約がある。従って、従来のイオン注入装置の殆どは、ターミナル構造の電圧を約２００ｋＶに制限していた。

それ故に、適度な大きさの包囲体の設置面積内で、ターミナル構造を高電圧に付勢するために、ターミナル構造の周りの電界を変えることができるイオン注入装置のターミナル構造が技術的に必要とされている。

本発明の第１の態様によれば、イオン注入装置が提供され、このイオン注入装置は、イオンビームを供給するように構成したイオン源と、キャビティを画成し、該キャビティ内に前記イオン源を少なくとも部分的に配置するターミナル構造と、絶縁導体とを備え、この絶縁導体は、前記ターミナル構造の周りの電界を変えるように前記ターミナル構造の外部に隣接して配置され、絶縁導体の導体の周りに配置される絶縁体の絶縁耐力は、７５キロボルト（ｋＶ）／インチよりも大きくする。

本発明の他の態様によれば、導電構造と、該導電構造の周りの電界を変えるように当該導電構造の外部に隣接して配置される絶縁導体であって、該絶縁導体の導体の周りに配置される絶縁体の絶縁耐力が７５キロボルト（ｋＶ）／インチよりも大きな絶縁導体とを備えている装置が提供される。

本発明をより一層理解するために、以下添付図面を参照して本発明を説明する。

イオン注入装置の上面のブロック図である。 図１のイオン注入装置におけるターミナル構造の斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿って切った絶縁導体の一実施例の断面図である。 図３と一致する実施例に対する等電位線のプロット図である。 複数のグレーディング導体を有する、図２のＡ−Ａ線に沿って切った絶縁導体の、他の実施例の断面図である。 複数のグレーディング導体を有する、図２のＡ−Ａ線に沿って切った絶縁導体の、さらに他の実施例の断面図である。 図５Ａと一致する実施例に対する等電位線のプロット図である。 ターミナル構造の外部に対する絶縁導体の位置決めを示している、ターミナル構造の、他の実施例の断面図である。 複数の絶縁導体を有する他の実施例の断面図である。 複数の絶縁導体を有するさらに他の実施例の断面図である。 図９と一致する実施例に対する等電位線のプロット図である。 複数の絶縁導体を有するさらに他の実施例の断面図である。 複数の絶縁導体を有するさらに別の実施例の断面図である。 １つの管状部材を有する絶縁導体の、他の実施例の断面図である。 ２つの管状部材を有する絶縁導体の、他の実施例の断面図である。 ３つの管状部材を有する絶縁導体の、他の実施例の断面図である。 ２つの管状部材と複合充填材とを有する絶縁導体の、他の実施例の断面図である。 絶縁導体のさらに他の実施例の断面図である。

ここでは、本発明をイオン注入装置のターミナル構造との関連で説明する。しかしながら、本発明は、導電構造の周りの電界を変えるための他の装置と共に用いることができる。従って、本発明は、以下述べる特定の実施例に限定されるものではない。

図１は、“ターミナル”又は“高電圧ターミナル”と技術的に称されることがよくあるターミナル構造１０４を備えているイオン注入装置１００のブロック図を示している。ターミナル構造１０４は、金属のような導電材料で製造することができる。イオン注入装置１００は、ターミナル構造１０４の外部に隣接配置されてターミナル構造の周りの電界を変える絶縁導体１０３を備えることもある。ターミナル構造１０４及び関連する絶縁導体１０３は、当業者に知られている多くの種々のイオン注入装置に利用することができる。従って、図１のイオン注入装置１００は、イオン注入装置の一つの実施例に過ぎない。

イオン注入装置１００はさらに、イオン源１０２、ガスボックス１０６、質量分析器１２０、分解アパーチャ１２２、スキャナ１２４、角度補正磁石１２６、エンドステーション１２８、及びコントローラ１１８を備えることがある。イオン源１０２はイオンビーム１５２を提供するように構成される。イオン源１０２はイオンを発生することができ、このイオン源は、ガスボックス１０６からのガスを受け入れるイオンチャンバを備えることができる。ガスボックス１０６は、イオン化すべきガスのソースをイオンチャンバに供給することができる。さらに、ガスボックス１０６は、電源のような技術的に知られている他のコンポーネントを収容することもできる。電源としては、イオン源１０２を起動するためのアーク電源、フィラメント電源、及びバイアス電源を含むことができる。イオン源及びガスボックスの構成及び動作は当業者に周知である。

質量分析器１２０は、所望種のイオンが分解アパーチャ１２２を通過し、不所望種のイオンは分解アパーチャ１２２を通過しないように、イオンを偏向させる分解磁石を含むことができる。明瞭化のために約４５度の偏向を示しているが、質量分析器１２０は、所望種のイオンを９０度まで偏向させ、不所望種のイオンをそれらの質量の違いにより、異なる角度に偏向させることができる。分解アパーチャ１２２の下流に位置するスキャナ１２４は、イオンビームを走査するための走査電極を備えることができる。角度補正磁石１２６は、所望イオン種のイオンを偏向させて、発散するイオンビームの経路を、ほぼ平行なイオン軌道を有するほぼ平行なイオンビーム経路に変える。一実施例では、角度補正磁石１２６は、所望イオン種のイオンを４５度まで偏向させることができる。

エンドステーション１２８は、所望種のイオンがウェハ１４０に注入されるように、イオンビーム１５２の経路内に１つ以上のウェハを支持することができる。ウェハ１４０はプラテン１４２によって支持することができる。エンドステーション１２８は、ウェハ１４０を様々な保持領域からプラテン１４０に、また、プラテン１４０から様々な保持領域へと物理的に動かすウェハ処理システム１５０のような、技術的に知られている他のコンポーネント及びサブシステムを備えることができる。ウェハ処理システム１５０がウェハ１４０を保持領域からプラテン１４２に動かしたら、このウェファ１４０を既知の技法、例えば、ウェハを静電力でプラテンにクランプする、静電ウェハクランプ法によりプラテン１４２にクランプすることができる。エンドステーション１２８は、プラテン１４２を所望通りに動かすために、技術的に既知のプラテン駆動システム１５２を備えることもできる。このプラテン駆動システム１５２は、機械的走査システムと称することもある。

コントローラ１１８は、イオン注入装置１００のそれぞれのコンポーネントからの入力データを受け取って、これらのコンポーネントを制御することができる。図面の明瞭化のために、コントローラ１１８からイオン注入装置１００のそれぞれのコンポーネントへの入／出力経路は図１には示してない。コントローラ１１８は、所望の入／出力機能を実行すべくプログラムすることができる汎用のコンピュータとするか、このような汎用コンピュータのネットワークを含むことができる。コントローラ１１８は、アプリケーション特有の集積回路か、他のハードワイヤード又はプログラマブルの電子デバイスか、個別素子の回路等のような、他の電子回路又はコンポーネントを含むこともできる。コントローラ１１８は、タッチスクリーン、ユーザポインティングデバイス、ディスプレイ、プリンタ等のようなユーザインタフェースデバイスも含み、ユーザにコマンド及び/又はデータを入力させたり、及び/又はイオン注入装置１００をモニタしたりすることができる。コントローラ１１８は、通信デバイス及び/又はデータ記憶デバイスを備えることもできる。

ウェハ１４０の表面に与えるイオンビーム１５２は、走査イオンビームとすることができる。他のイオン注入システムは、スポットビーム又はリボンビームを供給することがある。一例のスポットビームは、そのスポットビームの特性に依存して、断面がほぼ円形の特有な直径を有する。リボンビームは、大きな幅／高さのアスペクト比を有し、このリボンビームの幅は少なくともウェハ１４０の幅と同じとすることができる。スキャナ１２４は、リボンビーム又は固定スポットビームを用いるシステムには不要である。イオンビーム１５２は、ウェハ１４０にイオンを注入するのに用いられるエネルギーイオンビームのような、任意タイプの荷電粒子ビームとすることができる。ウェハ１４０は、普通のディスク形状のように、様々な物理的形状とすることができる。ウェハ１４０は、イオンビーム１５２を用いてイオン注入すべき、ケイ素又は他のいずれかの材料の如き、任意タイプの半導体材料で製造される半導体ウェハとすることができる。

イオン源１０２、ガスボックス１０６及びターミナル電子機器１０５は、ターミナル構造１０４によって画成されるキャビティ１１０内に位置付けることができる。ターミナル電子機器１０５は、ターミナル構造１０４内のコンポーネントの動作を制御でき、コントローラ１１８と通信することもできる。イオン源１０２には抽出電源１０７を結合させることができる。抽出電源１０７は、イオン源１０２からイオンを抽出して加速するレベルの電圧（Ｖｘ）を供給することができる。一実施例では、抽出電源１０７によって２０ｋＶ〜１２０ｋＶの範囲内の電圧（Ｖｘ）を供給することができる。

ターミナル構造１０４と接地包囲体１１２との間に追加の加速電源１０９を結合させて、ターミナル構造１０４を大地に対して正の電圧（Ｖａ）にバイアスすることができる。一実施例では、加速電源１０９によって追加の電圧レベル（Ｖａ）を供給することができ、この電圧レベルは２００ｋＶ〜１０００ｋＶの範囲内における電圧とすることができ、一実施例では、この追加の電圧は少なくとも４００ｋＶとすることができる。従って、ターミナル構造１０４は、場合によっては、２００ｋＶと１０００ｋＶとの間の高電圧に付勢することができる。他の場合には、ターミナル構造１０４を全く付勢しないか、又は所望エネルギーのイオンビーム１５２にのみに依存する公称値に付勢することができる。図面の明瞭化のために、僅か１つの加速電源１０９しか示してないが、２つ以上の電源を用いて、所望の最大高電圧レベル（Ｖａ）を供給することもできる。

イオン注入装置１００の動作中、ターミナル構造１０４は、場合によっては、少なくとも４００ｋＶに、一実施例では、例えば、６７０ｋＶに付勢することができる。絶縁導体１０３は、ターミナル構造１０４の周りの電界を変えるために、ターミナル構造１０４の外部に隣接して配置される。絶縁導体１０３は、導体の周りに、絶縁耐力が７５キロボルト（ｋＶ）／インチよりも大きな絶縁体を備えている。絶縁導体１０３は、この絶縁導体内の高比率のターミナル電圧を下げることができる。従って、絶縁導体１０３は、空隙１１１における電気的ストレスを低減し、このような絶縁導体がないターミナル構造に比べて、空隙１１１内の電界をより一層均一にするのに役立つ。換言するに、絶縁導体１０３は、電気的ストレスのシールドとして機能することができる。従って、ターミナル構造１０４は、理にかなった同じサイズの接地包囲体１１２内で、より高い電圧レベルに、例えば、２００ｋＶとは対照的に、少なくとも６００ｋＶに付勢することができる。或いは、約２００ｋＶ以下の同じ低いターミナル電圧で動作させる場合に、絶縁導体１０３は、空気だけの絶縁スキームに比べて、空隙１１１を縮小させることができる。

図２は、図１のターミナル構造１０４の斜視図を示す。このターミナル構造１０４は、基部と、この基部に結合させた１つ以上の直立側壁と、１つ以上の直立側壁に結合させた頂部２０２とを備えることができる。１つの直立側壁２０４は、要員がターミナル構造１０４の内部キャビティにアクセスできるように、ハンドル２４２付のドア２４０を有している。ターミナル構造１０４は、１つの固形材料の構成要素、又は任意複数個の個別の構成要素で製造した１つの直立側壁を備えることができる。固形の構成要素として示してあるが、ターミナル構造１０４の頂部２０２は、或るタイプの導体メッシュを成す複数の離間した導体で作って、メッシュの開口を経て空気が流れるようにすることもできる。

一般に、過剰な電気的ストレスがかかるターミナル構造１０４の外面部分の周りに１つ以上の絶縁導体を配置することができる。図２の実施例では、ターミナル構造１０４の頂縁２７０の全周に頂部絶縁導体１０３を隣接して配置し、ターミナル構造１０４の底縁２７２の全周に底部絶縁導体２０３を隣接配置している。頂部及び底部絶縁導体１０３及び２０３は、それぞれの縁２７０，２７２の周囲全体に位置付けられているが、他の実施例では、絶縁導体をターミナル構造の追加、又は別の外部に位置付けることもできる。こうした部分は、限定はされないが、ターミナル構造１０４が外部パーツとつながる、水平縁、垂直縁、隅部、及び開口部か、又は接合部とすることができる。外部パーツの幾つかは、モータ、ジェネレータ又はユティリティインタフェースとすることができる。一例では、球状の絶縁導体をターミナル構造の隅部の周りに位置付けることができる。

ターミナル構造１０４及び関連する絶縁導体１０３，２０３に複数のブラケットを連結させて、絶縁導体１０３及び２０３をターミナル構造の外部に隣接して支持することができる。ブラケットの個数及び位置は、絶縁導体１０３及び２０３の特性、ターミナル構造１０４の形状、及びブラケットの種類に依存する。ブラケットの長さは、絶縁導体１０３及び２０３を、ターミナル構造１０４の外部から所望距離のところに位置付けることができる長さとする。この所望距離の範囲は、（殆ど接する）ほぼゼロから、周囲の空隙によって許容される最大距離までとすることができる。一実施例では、この所望距離は少なくとも１．５インチとする。ブラケット、例えばブラケット２０８は、導電性か、又は非導電性の材料で作ることができる。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿って切った絶縁導体１０３の一実施例の断面図を示している。絶縁導体１０３は、導体３０２の周りに配置された絶縁耐力が７５キロボルト（ｋＶ）／インチよりも大きな絶縁体２０５を備えている。一実施例では、絶縁体２０５は固体絶縁物とすることができる。この固体絶縁物には、限定はしないが、シンタクチックフォーム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はポリイミド（例えば、カプトン）がある。シンタクチックフォームには、エポキシ、シリコーン、又は樹脂のような充填コンパウンドの周りに分散させた、中空のガラス球及び/又は高分子ペレットがある。一実施例において、シンタクチックフォーム絶縁体の平均絶縁耐力は、約０．２５インチの厚さのテストサンプルで約３００ｋＶ／インチであった。他の幾つかの絶縁体の絶縁耐力は、１５０ｋＶ／インチよりも大きかった。絶縁体２０５は、内部キャビティを画成するチャンバ壁を有し、この内部キャビティには液体絶縁物又は気体絶縁物を充填させることもできる。気体絶縁物は、オイルとすることができるが、これに限定されることはない。気体絶縁物は、限定されることはないが、二酸化炭素（ＣＯ_２）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）、又は圧縮空気とすることができる。気体の種類によっては、それらの非圧縮絶縁耐力に応じて、圧縮しなくて済む。真空絶縁及び/又は複合絶縁を成すための任意の組み合わせを利用することもできる。導体３０２は、固形断面を有する高電圧の導体とすることができる。絶縁導体１０３は、単一体として作るか、又は絶縁導体のセグメントをつなぎ合わせて構成することができる。

電源３１０は、ターミナル構造１０４及び導体３０２を付勢することができる。一実施例において、電源３１０は、導体３０２を第１の電圧に付勢し、ターミナル構造１０４を同じ第１の電圧、例えばターミナル電圧（Ｖｔ）に付勢するように構成する。このターミナル電圧は、一実施例では、少なくとも４００ｋＶにすることができる。このターミナル電圧は、一例では、ＤＣ電圧とすることもできる。ブラケット２０８を導電材料で作る場合、電源３１０はターミナル構造１０４に電圧を供給すればよく、このターミナル構造１０４が導電性のブラケットを介して電圧を導体３０２に供給することもできる。ブラケット２０８を非導電性の材料で作る場合には、別の導体３０８によって電源３１０を導体３０２に電気的に結合させる。導体３０８は、ブラケット２０８の開口に通すことができる。別の導体３０８によって導体３０２を付勢し得る場合には、空気の絶縁耐力を、想定の条件下において、約７５ｋＶ／インチ以下か、又はそれに等しくすることができる。この絶縁耐力は、相対湿度、イオン注入装置の特定位置の海抜高度（即ち、大気圧）、分離距離、及び電極表面の仕上がり具合によって変化し得る。温度も空気の絶縁破壊強度に影響を及ぼす。本来、温度及び圧力（ＰＶ＝ｎＲＴ）の変化は、実際に変化するものが空気密度であることを示す。空気密度は、圧力と温度とによって絶縁破壊強度に影響を及ぼす。

このような変動を考慮する安全策として、空気に対して約４５ｋＶ／インチ以下か、又はそれに等しい絶縁耐力を一例の設計ルールとして利用することができる。いずれにしても、たとえターミナル構造が６００〜１，０００ｋＶに付勢される場合であっても、絶縁導体１０３の外部における電界ストレスを空気に対して選択した設計ルールに合致する値に低減させるのが望ましい。このようにして、絶縁導体１０３と接地包囲体１１２との間に残存する空隙（例えば、距離Ｄ１）は、ターミナル構造１０４を電気的な破壊なく、例えばアーク放電なく絶縁するのに適するようになる。

従って、絶縁導体１０３の形状は、この絶縁導体の外面における電界ストレスが空気に対して選択した設計ルール以下となるように選択するのがよい。幾つかの実施例において、絶縁体２０５の外径（ＯＤ１）は、選択した特定の絶縁体の絶縁耐力に応じて、８〜１６インチの範囲内の値とすることができる。導体３０２の中心は、絶縁体２０５内の利用可能空間及び導体３０２の直径に応じて、０〜約３インチの範囲のオフセット距離（ＯＳ１）だけ絶縁体２０５の中心３１９からずらすことができる。１つの特定な実施例では、絶縁体２０５は、外径（ＯＤ１）が１１インチのシンタクチックフォームとし、導体３０２は、絶縁体２０５の中心から３．０インチのオフセット距離（ＯＳ１）離間している４インチの直径を有し、ブラケットは、絶縁導体１０３をターミナル構造１０４から１．５インチの距離（Ｄ２）のところに位置付けることができる長さを有するものとする。

図４は、導体３０２及びターミナル構造１０４の双方を６００ｋＶに付勢する場合の図３に一致する実施例に対する等電位線をプロットした図である。絶縁導体１０３は、ターミナル構造１０４の周りの電界を変えて、電気的ストレスが大きい領域が、この電気的ストレスを収容すべく設計した絶縁体２０５の内部に位置付けられるようにする。絶縁導体１０３は、このような絶縁導体がないターミナル構造に比べて、ターミナル構造１０４と接地包囲体１１２との間の空隙４０６内の電気的ストレスを低減させると共に、空隙４０６内の電界をより一層均一にするのにも役立つ。

このように、絶縁導体１０３は一種の電気的ストレスシールドとして作用する。従って、ターミナル構造１０４は、同じ適度な大きさの接地包囲体１１２内で、２００ｋＶのイオン注入装置の例とは対照的に、もっと高い電圧レベル、例えば、少なくとも６００ｋＶに付勢することができる。また、従来のイオン注入装置におけると同じような約２００ｋＶの低いターミナル電圧で作動させる場合に、絶縁導体１０３は、空気だけの絶縁スキームの場合に比べて、空隙４０６を縮小させることができる。

３つの異なる媒質が互いに接する箇所（例えば、ブラケット２０８を導電材料で作る場合における空気、絶縁体２０５、及び導体）には、三重点のストレス領域４０２、４０４が形成される。導体３０２とターミナル構造１０４を同じターミナル電圧に付勢すると、ターミナル構造１０４と導体３０２との間が等電位となり、従って、三重点のストレス領域４０２、４０４における電気的ストレスが比較的低くなる。これにより取り付けブラケット２０８をその位置に取り付けることができるのであって、さもなければ、絶縁導体１０３がない電気的ストレスが高い箇所への接続は困難である。

図５Ａは、複数のグレーディング導体（grading conductors）５０２，５０４，５０６を有している、他の実施例における絶縁導体５００の断面図を示している。図５Ａにおける、以前の図におけるものと同様な他のコンポーネントには、同様な参照を付してあり、従って、これらについての説明は省略する。３つのグレーディング導体５０２，５０４，５０６を示してあるが、本発明は３つのグレーディング導体のみに限定されるものでなく、１つ以上のグレーディング導体を用いることができる。概して、グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、絶縁導体５００の内部の電圧を、グレーディング導体がないものよりももっと降下させる手段である。従って、グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、ターミナル構造１０４の動作電圧を増大させる融通性を高めたり、又は接地包囲体１１２の設置面積を縮小させたりする。

グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、導体３０２からそれぞれ半径方向距離ｒ１，ｒ２及びｒ３（ここに、ｒ１＜ｒ２＜ｒ３）変えて放射状に配置することができる。各グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、弓形形状をしており、この彎曲した弓形の形状は、絶縁導体５００に隣接しているターミナル構造１０４の外側縁の区分にほぼ一致している。各グレーディング導体に対する弓形形状の長さは、同じとするか、又は相違させることができる。図５Ａの実施例では、第１及び第２のグレーディング導体は同じ弓形の長さを有しているが、第３のグレーディング導体５０６は比較的短い。

グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、受動的なものか、能動的なもののいずれかとすることができる。受動グレーディングの場合には、グレーディング導体５０２，５０４，５０６を外部電源３１０に接続しないで、これらのグレーディング導体を電気的に浮動させる。能動グレーディングの場合には、グレーディング導体５０２，５０４，５０６を外部電源３１０に接続する。図面の明瞭化のために、電源３１０からの結線を破線にて示してあるが、この結線のやり方には色々あり、例えば、高電圧電源を大地への抵抗チェーンで分割し、異なる電圧を抵抗チェーンの異なる位置から取り出すようにすることができる。導体３０２並びにターミナル構造１０４は、電源３１０からターミナル電圧（Ｖｔ）を受電することができる。第１のグレーディング導体５０２は第１のグレーディング電圧（Ｖ１）を、第２のグレーディング導体５０４は第２のグレーディング電圧（Ｖ２）を、第３のグレーディング導体５０６は第３のグレーディング電圧（Ｖ３）を、それぞれ電源３１０から受電することができ、ここに、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３とする。一実施例では、Ｖｔ＝６００ｋＶ、Ｖ１＝５００ｋＶ、Ｖ２＝４００ｋＶ、Ｖ３＝３００ｋＶとする。

図６は、絶縁導体５００がターミナル構造１０４の周りの電界を如何に変えるかを図解するために、能動グレーディング導体を有する図５Ａの実施例に対する等電位線をプロットした図である。等電位線は、電気的ストレスに対処すべく設計した絶縁体５０５内に集中する。グレーディング導体５０２，５０４，５０６は、絶縁体５０５内で、グレーディング導体がない場合よりももっと電圧を降下させることができる。さらに、絶縁体５０５の表面における電気的ストレスが低減され、絶縁導体５００と接地包囲体１１２との間の空隙内における電界が、より一層均一になる。

図５Ｂは３つのグレーディング導体５２２，５２４，５２６を有する、他の実施例における絶縁導体５５０を示している。概して、グレーディング導体間のサイズ及び角度間隔は、特定の用途に応じて変えることができる。図５Ｂの実施例では、３つのグレーディング導体５２２，５２４，５２６は、導体３０２からそれぞれ半径方向距離ｒ１，ｒ２，ｒ３のところに配置されている。第１のグレーディング導体５２２は第１の弓状長さ（Ｌ１）を有し、第２のグレーディング導体５２４は第２の弓状長さ（Ｌ２）を有し、第３のグレーディング導体５２６は第３の弓状長さ（Ｌ３）を有し、ここに、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３である。さらに、導体３０２から各グレーディング導体５２２，５２４，５２６の中心までの放射状の直線は互いに異なる角度を成している。

図７は、ターミナル構造１０４の異なる外部に対して異なる絶縁導体を位置付けた、ターミナル構造１０４の他の実施例における断面図を示している。概して、過剰な電気的ストレスを有するターミナル構造１０４の外面部分の周りには１つ以上の絶縁導体を配置することができる。図７の実施例では、頂部絶縁導体７０３をターミナル構造１０４の頂縁７３３の周囲に隣接して配置する。底部絶縁導体７０５は、底縁７３５の周囲に隣接して配置する。さらに、第１及び第２の中間絶縁導体７０２，７０４を、頂縁７３３と底縁７３５との間におけるターミナル構造１０４の周囲の周りに配置することができる。各絶縁導体７０２，７０３，７０４，７０５が３つのグレーディング導体を有するように図示してあるが、他の例ではグレーディング導体を用いないようにすることもできる。

図８〜図１２は、ターミナル構造１０４の周りに異なる構成で配置した複数の絶縁導体を有している実施例を示している。絶縁導体の数量、絶縁導体の大きさ、及び各絶縁導体間の隙間は、ターミナル構造１０４の最大動作電圧、各絶縁体の絶縁耐力、及び機械的な支持構造に依存する。図８〜図１２の異なる構成は、システムを異なるターミナル電圧レベルに適応させるべくアップグレードさせるのに融通が利く。例えば、ターミナル構造の高めの動作電圧は、必要に応じて追加の絶縁導体を加えることによって順応させることができ、低めのターミナル電圧は、１つ以上の絶縁導体を取り除くことによって順応させることができる。図８〜図１２の絶縁導体の各々は、これまでに述べたいずれかの絶縁導体とするか、又は市販か、特注の高電圧ケーブルとすることができる。

図８は、ターミナル構造１０４の外部から外向きに線形アレイ８００で配置した複数の絶縁導体８０２，８０４，８０６及び８０８を示している。ターミナル構造の外部は、このターミナル構造の側壁と頂部とが交わる、ターミナル構造の頂縁とすることができる。この頂縁は弓形とし、絶縁導体の線形アレイ８００は弓形の頂縁から外方へ放射状に延在する。図８は４つの絶縁導体８０２，８０４，８０６及び８０８を示しているが、任意複数個の絶縁導体を用いることができ、これらの絶縁導体を増減させて、ターミナル構造の種々の最大動作電圧に順応させることができる。

線形アレイ８００は、受動グレーディング又は能動グレーディング用に配置することができる。受動グレーディングの場合には、導体８０３とターミナル構造１０４が共にターミナル電圧（Ｖｔ）、例えば、一例では６００ｋＶを受電することができる。他の導体８０５，８０７及び８０９は、電気的に浮動させたままとすることができる。能動グレーディングの場合には、導体８０３とターミナル構造１０４が共にターミナル電圧（Ｖｔ）を受電し、導体８０５，８０７及び８０９もそれぞれ電圧レベルＶ１，Ｖ２及びＶ３の電圧を受電するようにし、ここに、Ｖｔ＞Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３とする。

図９は複数の絶縁導体９０２，９０４，８０２，８０４及び８０６を有する他の実施例を示している。絶縁導体８０２，８０４及び８０６は、図８の実施例と同様に線形アレイに配置されている。絶縁導体９０２，８０２及び９０４は、これら３つの絶縁導体に隣接するターミナル構造１０４の外側縁部の弓形形状に似て、弧状に配置されている。能動グレーディングの場合、導体９０３，８０３及び９０５は、ターミナル電圧（Ｖｔ）を受電し、また、導体８０５及び８０７はそれぞれ電圧レベルＶ１，Ｖ２の電圧を受電し、ここに、Ｖｔ＞Ｖ１＞Ｖ２とする。さらに他の実施例では、絶縁導体９０２，８０２及び９０４だけはターミナル構造１０４の外部の周りに図示のように弧状に配置したままにして、絶縁導体８０４及び８０６をなくすことができる。

図１０は、図９の実施例がターミナル構造１０４の周りの電界を如何に変えるかを図解するために、図９にならってシミュレートした能動グレーディング導体の例に対する等電位線をプロットした図である。このシミュレートした実施例では、各絶縁導体９０２，８０２，９０４，８０４，８０６は、直径が４．０インチの固形絶縁体の内部に直径が０．２５インチの導体が配置されている高電圧ケーブルとした。ターミナル構造１０４及びこのターミナル構造に最も近い導体９０３，８０３，９０５の各々は、６００ｋＶに付勢した。導体８０５はターミナル電圧の８０％、即ち４８０ｋＶに付勢し、導体８０７はターミナル電圧の６０％、即ち３６０ｋＶに付勢した。シミュレートした結果、ターミナル構造に最も近い絶縁体内の最大電気的ストレスは１４８ｋＶ／インチであり、空中での最大電気的ストレスは４５ｋＶ／インチであった。良品質のプラスチック絶縁体は１４８ｋＶ／インチの電気的ストレスに耐えることができるも、空気ではこのような電気的ストレスには到底耐えられない。

図１１は、絶縁導体１１０２，８０４及び１１０４を、図９の弧状配置の絶縁導体９０２，８０２，９０４に似て弧状に配置し、さらに図９の実施例よりもターミナル構造から離れたところに配置した、さらに他の実施例を示している。

図１２は、少なくとも１つの絶縁導体を接地包囲体１１２によって支持するようにした、さらに他の実施例を示している。例えば図１２の実施例では、６つの絶縁導体１２３０,１２３２，１２３４，１２３６，１２３８及び１２４０を接地包囲体１１２によって支持することができる。能動グレーディングの場合には、絶縁導体８０２の導体がターミナル電圧（Ｖｔ）を受電し、絶縁導体１１０２，８０４及び１１０４の導体が電圧Ｖ１を受電し、絶縁導体８０６の導体が電圧Ｖ２を受電し、絶縁導体１２３０,１２３２，１２３４，１２３６，１２３８及び１２４０の導体が電圧Ｖｎを受電することができ、ここに、Ｖｔ＞Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖｎとする。

図１３は、管状部材１３０５を有する絶縁導体１３００の実施例の断面図を示している。管状部材１３０５は、導体１３０２を中に入れる内側部分を画成する。管状部材１３０５は、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はポリイミド（例えば、カプトン）で作ることができる。ＣＰＶＣ，ＰＶＤＦ及びＥＣＴＦＥのプラスチック材料は、Factory Mutual Specification 4910 (FM4910) 及びUnderwriters Laboratory Specification 94-V0 (UL94-V0)（これらは共に、火災及び煙による危険を減らす規格を特定している）のような、種々の機関の可燃性規格を満足する。導体１３０２も管状部材とすることができ、これは金属のような、さまざまな任意の導電材料で作ることができる。

管状部材１３０５によって画成された内側部分には充填絶縁体１３１２を入れることができる。充填絶縁体１３１２によって内側部分を完全に、又は部分的に満たすことができ、異なる充填絶縁体の組み合わせを用いることができる。FM4910に従う管状部材１３０５の内部を充填充填材１３１２によって完全に封じる場合、充填材１３１２はFM4910の規格に準拠する必要はない。

充填絶縁体１３１２は、シンタクチックフォームのような固形材料とすることができる。シンタクチックフォームとしては、エポキシ、シリコーン又は樹脂のような、充填用コンパウンドの周りに分散させた中空のガラス球及び/又はポリマーペレットを挙げることができる。他の充填絶縁体１３１２としては、気体を挙げることができる。一実施例では、気体は圧縮空気とすることができる。場合によっては、二酸化炭素（ＣＯ_２）又は六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用いることができ、このような気体は、それらの非圧縮絶縁耐力に応じて圧縮しなくて済む。充填絶縁体１３１２の１つの組み合わせとして、導体１３０２に接触するシンタクチックフォームのような固形物を挙げることができ、管状部材１３０５によって画成される内部容積の残余部分には、圧縮空気又はＳＦ_６のような気体を充填する。

管状部材１３０５の表面の形状は、この管状部材の外面における電界ストレスが、安全に順応させるべく空気に対して選択した設計限度、一例では、４５ｋＶ／インチに等しいか、又はそれ以下となるように選定することができる。管状部材１３０５の外径（ＯＤ１）は、幾つかの実施例において、８インチと１６インチとの間の範囲の値とすることができる。外径（ＯＤ１）は、サイズがスケジュール８０のパイプに準拠する、０．６８７インチの壁厚（Ｔ１）を有する、１２．７インチのような普通サイズに選定することもできる。導体１３０２の外径のサイズは、幾つかの実施例において、０．２５インチから６．０インチまでの範囲内の値とすることができる。導体１３０２の中心は、管状部材１３０５内の利用可能空間と導体１３０２の直径とに応じて、管状部材１３０５の中心１３１９から、０〜約３．０インチの範囲内のオフセット距離（ＯＳ１）だけずらすことができる。

一つの特定の実施例では、ＣＰＶＣの管状部材１３０５の外径（ＯＤ１）は１１インチとし、その壁厚（Ｔ１）を０．５インチとする。この特定の実施例における導体１３０２の外径は４インチとし、オフセット距離（ＯＳ１）は、２．５インチとする。従って、この特定の実施例における、導体１３０２と管状部材１３０５の内面との間の距離（Ｄ３）は、僅か０．５インチであり、導体１３０２と管状部材の反対側の内面との間の距離（Ｄ４）は、５．５インチである。ブラケット２０８の長さは、絶縁導体１３００をターミナル構造１０４の外部から１．５インチの距離（Ｄ２）のところに位置付けることができる長さとするのがよい。

図１４は、他の実施例における絶縁導体１４００の断面図である。この絶縁導体１４００は、第１の管状部材１３０５と、この第１の管状部材によって画成された内側部分に配置された第２の管状部材１４０４とを有している。図１３及び他の実施例と同様な図１４のコンポーネントには、同じような参照番号を付してあり、従って、ここでは反復的な説明は省略する。

第２の管状部材１４０４は、ＣＰＶＣ、ＰＶＤＦ、ＥＣＴＦＥ、ＰＴＦＥ、又はポリイミドで作った固形絶縁体とすることができる。導体１３０２の外径は、第２の管状部材部材１４０４の内径よりも僅かに小さくして、導体１３０２が、第２の管状部材の内面に触れるようにする。導体１３０２の外側と、第２の管状部材１４０４の内側との間に空隙がないのが望ましい。実際には、管状部材１４０４を選択し、その内側に導電性のペイントをコーティングすることができる。これは、管状部材１４０４の内面を「金属化する」と称することもある。第２の管状部材１４０４は、導体１３０２の外面における電気的ストレスを８０ｋＶ／インチよりもはるかに減らすことができる。

図１５は、他の実施例における絶縁導体１５００の断面図である。絶縁導体１５００は、第１の管状部材１３０５、第２の管状部材１４０４及び第３の管状部材１５０２を有している。図１３及び図１４並びに他の実施例と同様な図１５のコンポーネントには、同じような参照番号を付してあり、従って、ここでは反復的な説明は省略する。

第３の管状部材１５０２は、第１の管状部材１３０５によって画成された内側部分の中に配置し、第２の管状部材１４０４は、第３の管状部材１５０２の中に配置することができる。第３の管状部材１５０２によって画成された内側部分には、第１の充填絶縁体１５０４を入れ、第１の管状部材１３０５によって画成された内側部分には、第２の充填絶縁体１５１２を入れることができる。一実施例では、第１及び第２の充填絶縁体１５０４及び１５１２用の充填材として、圧縮気体、例えば、空気、窒素、ＳＦ_６等を用いることができる。この場合、第３の管状部材１５０２の外径は、第１の充填絶縁体１５０４に必要な気体容積が、第２の充填絶縁体１５１２に必要な気体容積よりも少なくて、圧力容器の厳格な規約要件を行使することなく、第１の充填材１５０４用に高圧力の気体を用いることができるような大きさに選定するのがよい。

図１６は、さらに他の実施例における絶縁導体１６００の断面図である。絶縁導体１６００には、圧縮気体中に分散される固形充填材１６０２を含む複合絶縁体を含めることができる。固形充填材１６０２は、複数の固形モジュール、例えば、ハラー顆粒（halar granules）及び/又はガラス球とすることができ、これらは、絶縁体として作用すると共に、圧縮気体で満たすべき残存容積１６０４を減らすのにも役立つ。圧縮気体は、容積１６０４に必要とされる気体容積を減らすのに、圧力容器の厳格な規約要件を行使することなく、１．５ａｔｍ以上の圧力の圧縮空気とすることができる。

図１７は、さらに他の実施例における絶縁導体１７００の断面図である。絶縁導体１７００は、図１４の単一導体１３０２とは対照的に、第２の管状部材１４０４によって画成された内部容積内に、複数の高電圧ケーブル１７０２，１７０４，１７０６を有していることを除けば、図１４の絶縁導体に似たものである。図１４並びに他の実施例と同様な図１７のコンポーネントには、同じような参照番号を付してあり、従って、ここでは反復的な説明は省略する。高電圧ケーブル１７０２，１７０４，１７０６の各々は、関連する絶縁体で包まれた導体を備えている。高電圧ケーブルは、市販のもの又は特注の高電圧ケーブルとすることができる。高電圧ケーブル１７０２，１７０４，１７０６は、個々に絶縁されているから、これらのケーブルは、絶縁耐力が落ちている他のエレメントに対して別の絶縁保護層となる。例えば、高電圧ケーブル１７０２，１７０４，１７０６は、溶接接合部で絶縁耐力が落ちる、溶接した管状部材、例えば管状部材１４０４及び１３０５と一緒に用いることができる。

第２の管状部材１４０４によって画成された内部には、第１の充填絶縁体１７２２を配置することができ、第１の管状部材１３０５によって画成された内部には、第２の充填絶縁体１７１２を配置することができる。第１の充填絶縁体１７２２は、非圧縮空気、ＳＦ_６、マイクロバルーン、顆粒等とすることができ、第２の充填絶縁体１７１２も同じものとすることができる。

本発明は、上述した実施例のみに限定されるものでなく、開示した範囲内で幾多の変更を加え得ることは当業者に明らかである。従って、前述した記載は例証に過ぎず、本発明は、これに限定されるものではない。

Claims (25)

1. イオンビームを供給するように構成したイオン源と、
   キャビティを画成し、該キャビティ内に前記イオン源が少なくとも部分的に配置されるターミナル構造と、
   前記ターミナル構造の周りの電界を変えるように前記ターミナル構造の外部に隣接して配置される絶縁導体であって、該絶縁導体の導体の周りに配置される絶縁体の絶縁耐力が、７５キロボルト（ｋＶ）／インチよりも大きい、絶縁導体と、
   前記絶縁体の中に配置される複数のグレーディング導体であって、これら複数のグレーディング導体の各々は、前記ターミナル構造の前記外部からそれぞれ放射状に前記導体から異なる距離のところに配置され、前記複数のグレーディング導体の各々は、弓形形状を有している、複数のグレーディング導体と、
   を備えているイオン注入装置。
2. 前記導体は、第１の電圧に付勢すべく構成され、前記ターミナル構造も前記第１の電圧に付勢すべく構成される、請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 前記第１の電圧は、少なくとも４００ｋＶである、請求項２に記載のイオン注入装置。
4. 前記ターミナル構造及び前記絶縁導体に結合されたブラケットをさらに備え、該ブラケットは、前記ターミナル構造の外部に隣接する前記絶縁導体を支持するように構成される、請求項１に記載のイオン注入装置。
5. 前記ブラケットは、前記絶縁導体を前記ターミナル構造の外部から所定距離のところに位置させることができる長さを有する、請求項４に記載のイオン注入装置。
6. 前記距離は少なくとも１．５インチである、請求項５に記載のイオン注入装置。
7. 前記ブラケットは導電性の材料から成り、該ブラケットは、前記絶縁導体の前記導体に結合される、請求項４に記載のイオン注入装置。
8. 前記ブラケットは非導電性の材料から成る、請求項４に記載のイオン注入装置。
9. 前記ターミナル構造の外部は、該ターミナル構造の頂縁の周辺部と、前記ターミナル構造の底縁の周辺部とを備え、前記絶縁導体は、前記頂縁の前記周辺部の周りに配置される頂部絶縁導体と、前記底縁の前記周辺部の周りに配置される底部絶縁導体とを備えている、請求項１に記載のイオン注入装置。
10. 前記ターミナル構造の外部はさらに、前記頂縁と前記底縁との間に前記ターミナル構造の周辺部を備え、前記絶縁導体はさらに、前記頂縁と前記底縁との間の、前記ターミナル構造の前記周辺部の周りに配置される中間の絶縁導体も備えている、請求項９に記載のイオン注入装置。
11. 前記絶縁体は固体絶縁物から成る、請求項１に記載のイオン注入装置。
12. 前記複数のグレーディング導体の各々は、異なる弓状の長さを有する、請求項１に記載のイオン注入装置。
13. 前記複数のグレーディング導体の各々は、同じ弓状の長さを有する、請求項１に記載のイオン注入装置。
14. 前記複数のグレーディング導体の各々は弓状の長さを有し、前記導体から、前記各グレーディング導体の、前記弓状の長さの中心までの放射状の直線が、互いに異なる角度である、請求項１に記載のイオン注入装置。
15. 前記複数のグレーディング導体の各々は電気的に浮動している、請求項１に記載のイオン注入装置。
16. 前記複数のグレーディング導体は、前記絶縁導体の導体から第１の距離のところに放射状に配置される第１のグレーディング導体と、前記絶縁導体の導体から第２の距離のところに放射状に配置される第２のグレーディング導体と、前記絶縁導体の導体から第３の距離のところに放射状に配置される第３のグレーディング導体とを備え、前記第１の距離は前記第２の距離よりも短く、前記第２の距離は前記第３の距離よりも短く、前記第１のグレーディング導体は、第１のグレーディング電圧を受電すべく構成され、前記第２のグレーディング導体は第２のグレーディング電圧を受電すべく構成され、前記第３のグレーディング導体は第３のグレーディング電圧を受電すべく構成され、前記第１のグレーディング電圧は前記第２のグレーディング電圧よりも大きく、前記第２のグレーディング電圧は前記第３のグレーディング電圧よりも大きい、請求項１に記載のイオン注入装置。
17. 前記ターミナル構造の前記外部は前記ターミナル構造の縁部から成り、前記絶縁導体は、前記縁部の周りに配置される少なくとも第１、第２、及び第３の絶縁導体を備えている、請求項１に記載のイオン注入装置。
18. 前記第１、第２、及び第３の絶縁導体は、前記ターミナル構造の前記縁部から外側に延在する線形アレイにて位置付けられる、請求項１７に記載のイオン注入装置。
19. 前記縁部は弓形形状を有し、前記第１、第２、及び第３の絶縁導体は、前記縁部の前記弓形形状に一致する弓形に位置付けられる、請求項１７に記載のイオン注入装置。
20. 前記絶縁導体の絶縁体は、前記絶縁導体の導体を配置する内側部分を画成する第１の管状部材を備えている、請求項１に記載のイオン注入装置。
21. 前記第１の管状部材は、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はポリイミド樹脂から成る、請求項２０に記載のイオン注入装置。
22. 前記絶縁体はさらに、前記第１の管状部材の内側部分に配置される充填絶縁体も備えている、請求項２０に記載のイオン注入装置。
23. 前記充填絶縁体は圧縮空気から成る、請求項２２に記載のイオン注入装置。
24. 前記絶縁体はさらに、第２の管状部材を備え、該第２の管状部材は、前記第１の管状部材の前記内側部分に配置される、請求項２０に記載のイオン注入装置。
25. 前記絶縁体はさらに、第３の管状部材を備え、該第３の管状部材は、前記第１の管状部材の内側部分に配置され、前記第２の管状部材は、前記第３の管状部材によって画成される内側部分に配置される、請求項２４に記載のイオン注入装置。

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