KR102544486B1 - 이온 주입 시스템 - Google Patents

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KR102544486B1 KR1020210021703A KR20210021703A KR102544486B1 KR 102544486 B1 KR102544486 B1 KR 102544486B1 KR 1020210021703 A KR1020210021703 A KR 1020210021703A KR 20210021703 A KR20210021703 A KR 20210021703A KR 102544486 B1 KR102544486 B1 KR 102544486B1
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프랭크 싱클레어
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Abstract

이온 소스, 및 이온 소스로부터 연속적인 이온 빔을 수신하고 집군된 이온 빔을 출력하기 위한 집군기를 포함하는 이온 주입 시스템. 집군기는, 접지된 드리프트 튜브들 및 AC 드리프트 튜브들의 교번하는 시퀀스를 갖는 드리프트 튜브 어셈블리를 포함할 수 있다. 드리프트 튜브 어셈블리는, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 구성된 제 1 접지된 드리프트 튜브, 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측의 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들, 및 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들의 하류측의 제 2 접지된 드리프트 튜브를 포함할 수 있다. 이온 주입 시스템은, 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들에 결합되며, 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들에 개별적으로 결합되는 적어도 2개의 AC 전압 소스들을 포함하는 AC 전압 어셈블리를 포함할 수 있다. 이온 주입 시스템은, 집군기의 하류측에 배치된, 복수의 가속 스테이지들을 포함하는 선형 가속기를 포함할 수 있다.

Description

이온 주입 시스템{ION IMPLANTATION SYSTEM}
관련 출원들
본 출원은, NOVEL APPARATUS AND TECHNIQUES FOR GENERATING BUNCHED ION BEAM이라는 명칭으로 2018년 08월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제16/107,151호의 계속 출원이며 이에 대한 우선권을 주장하는, NOVEL APPARATUS AND TECHNIQUES FOR GENERATING BUNCHED ION BEAM이라는 명칭으로 2020년 04월 07일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제16/842,464호의 일부 계속 출원이며 이에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시는 전반적으로 이온 주입 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고 에너지 빔라인 이온 주입기들에 관한 것이다.
이온 주입은 충돌을 통해 도펀트들 또는 불순물들을 기판 내로 도입하는 프로세스이다. 이온 주입 시스템들은 이온 소스 및 일련의 빔-라인 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이온 소스는 이온들이 생성되는 챔버를 포함할 수 있다. 빔-라인 컴포넌트들은, 예를 들어, 질량 분석기, 콜리메이터(collimator), 및 이온 빔을 가속하거나 또는 감속하기 위한 다양한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 광 빔을 조작하기 위한 일련의 광학적 렌즈들과 매우 유사하게, 빔-라인 컴포넌트들은 특정 종, 형상, 에너지 및/또는 다른 수량들을 갖는 이온 빔을 필터링하고, 포커싱하며, 조작할 수 있다. 이온 빔은 빔-라인 컴포넌트들을 통과하여, 플래튼(platen) 또는 클램프(clamp) 상에 장착된 기판을 향해 보내질 수 있다.
중간 에너지 또는 높은 에너지의 이온 빔들을 생성하기에 적절한 이온 주입기의 일 유형은 선형 가속기 또는 LINAC이며, 여기에서 빔 주위에 튜브들로서 배열된 일련의 전극들이 연속적인 튜브들을 따라 점점 더 높은 에너지까지 이온 빔을 가속한다. 다양한 전극들은 일련의 스테이지들 내에 배열될 수 있으며, 여기에서 주어진 스테이지 내의 주어진 전극은 이온 빔을 가속하기 위하여 AC 전압 신호를 수신한다.
LINAC들은, 빔이 빔라인을 통해 전도됨에 따라 이온 빔을 집군(bunch)하는 초기 스테이지들을 이용한다. LINAC의 초기 스테이지는 집군기(buncher)로서 지칭될 수 있으며, 여기에서 연속적인 이온 빔이 집군기에 의해 수신되고, 패킷들로 집군된 이온 빔으로서 출력된다. AC 전압 신호의 주파수 및 진폭에 의존하여, 하나의 전력형(powered) 전극을 사용하는 알려진 "더블-갭(double-gap)" 집군기를 통해 전도되는 이온 빔의 수용(acceptance) 또는 위상 캡처는 약 30-35%일 수 있으며, 이는, 선형 가속기의 가속 스테이지들 내로 전도되는 동안 빔 전류의 65% 이상이 손실됨을 의미한다.
이러한 그리고 다른 고려사항들에 관하여, 본 개시가 제공된다.
일 실시예에 있어서, 장치는, 서로 교번하는(alternating) 방식으로 배열된, 접지된 드리프트(drift) 튜브들의 세트 및 AC 드리프트 튜브들의 세트의 교번하는 시퀀스를 포함하는, 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리를 포함할 수 있다. 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리는, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 구성된 제 1 접지된 드리프트 튜브, 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 직렬로 배열된 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들, 및 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들의 하류측의 제 2 접지된 드리프트 튜브를 더 포함할 수 있다. 장치는, 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들에 전기적으로 결합된 AC 전압 어셈블리를 더 포함할 수 있다. AC 전압 어셈블리는 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들의 제 1 AC 드리프트 튜브로 제 1 주파수로 제 1 AC 전압 신호를 전달하도록 결합된 제 1 AC 전압 소스; 및 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들의 제 2 AC 드리프트 튜브로 제 2 주파수로 제 2 AC 전압 신호를 전달하도록 결합된 제 2 AC 전압 소스를 포함할 수 있다. 이와 같이, 제 2 주파수는 제 1 주파수의 정수 배수로 구성될 수 있다.
추가적인 실시예에 있어서, 이온 주입 시스템은 연속적인 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스, 및 연속적인 이온 빔을 수신하고 집군된 이온 빔을 출력하기 위하여 이온 소스의 하류측에 배치되는 집군기를 포함할 수 있다. 집군기는, 서로 교번하는 방식으로 배열된, 접지된 드리프트 튜브들의 세트 및 AC 드리프트 튜브들의 세트를 교번시키는 것에 의해 특징지어지는 드리프트 튜브 어셈블리를 포함할 수 있다. 드리프트 튜브 어셈블리는 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브, 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측의 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들; 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들의 하류측의 제 2 접지된 드리프트 튜브, 및 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들에 전기적으로 결합된 AC 전압 어셈블리를 포함할 수 있다. AC 전압 어셈블리는, 적어도 2개의 AC 드리프트 튜브들에 각기 결합된 적어도 2개의 AC 전압 소스들을 포함할 수 있다. 이온 주입 시스템은, 집군기의 하류측에 배치된, 복수의 가속 스테이지들을 포함하는 선형 가속기를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 장치는 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리 및 AC 전압 어셈블리를 포함할 수 있다. 멀티링 드리프트 튜브 어셈블리는, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브, 및 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 그리고 제 1 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 배치된 제 1 AC 드리프트 튜브를 포함할 수 있다. 멀티링 드리프트 튜브 어셈블리는 또한, 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배열된 중간 접지된 드리프트 튜브, 및 중간 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 중간 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치된 제 2 AC 드리프트 튜브를 포함할 수 있다. 멀티링 드리프트 튜브 어셈블리는 또한 제 2 접지된 드리프트 튜브를 포함할 수 있으며, 여기에서 제 2 접지된 드리프트 튜브는 제 2 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 제 2 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치된다. 장치는, 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리에 전기적으로 결합된 AC 전압 어셈블리를 더 포함할 수 있다. AC 전압 어셈블리는 제 1 AC 드리프트 튜브로 제 1 주파수로 제 1 AC 전압 신호를 전달하도록 결합된 제 1 AC 전압 소스, 및 제 2 AC 드리프트 튜브로 제 2 주파수로 제 2 AC 전압 신호를 전달하도록 결합된 제 2 AC 전압 소스를 포함할 수 있으며, 여기에서 제 2 주파수는 제 1 주파수의 정수 배수를 포함한다.
도 1a는 본 개시의 실시예들에 따른 예시적인 이온 주입 시스템을 도시한다.
도 1b는 본 개시의 실시예들에 따른 다른 이온 주입 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 예시적인 집군기를 도시한다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예들에 따른 다른 예시적인 집군기를 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 드리프트 튜브 어셈블리의 동작의 모델링의 결과들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는, 본 실시예들의 이점들을 강조하는, 상이한 집군기들에 의해 처리된 이온 빔들의 상이한 광선들의 위상 거동을 예시하는 그래프들이다.
도 6은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 프로세스 흐름을 도시한다.
도 7은 본 개시의 다른 실시예들에 따른 다른 예시적인 집군기를 도시한다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예들에 따른 또 다른 예시적인 집군기를 도시한다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예들에 따른 또 다른 예시적인 집군기를 도시한다.
도 10은 톱니 파형을 도시한다.
도면들이 반드시 축적이 맞춰져야 하는 것은 아니다. 도면들은 단지 표현들이며, 본 개시의 특정 파라미터들을 표현하도록 의도되지 않는다. 도면들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 묘사하도록 의도되며, 따라서 범위를 제한하는 것으로서 간주되지 않아야 한다. 도면들 내에서, 유사한 번호들이 유사한 엘리먼트들을 나타낸다.
본 개시에 따른 장치, 시스템 및 방법이 이제 이하에서 시스템 및 방법의 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다. 시스템 및 방법은 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 철저해질 수 있도록 제공되며, 시스템 및 방법의 범위를 당업자들에게 완전하게 전달할 것이다.
본원에서 사용될 때, 단수로 언급되고 및 단어 "일" 또는 "하나"가 선행되는 엘리먼트 또는 동작은 잠재적으로 복수의 엘리먼트들 또는 동작들도 포함하는 것으로 이해되어야만 한다. 또한, "본 발명의 "일 실시예"에 대한 언급들은, 언급된 특징들을 또한 통합하는 추가적인 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도되지 않는다.
빔라인 아키텍처에 기초하는 개선된 고 에너지 이온 주입 시스템들에 대한 접근 방식들이 본원에서 제공된다. 간결함을 위하여, 이온 주입 시스템은 본원에서 "이온 주입기"로도 지칭될 수 있다. 다양한 실시예들은 고 에너지 이온들을 생성하는 능력을 제공하기 위한 신규한 구성들을 제공하며, 여기에서 기판으로 전달되는 최종 이온 에너지는 300 keV, 500 keV, 1 MeV 또는 그 이상일 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 신규한 집군기 설계는, 이하에서 설명되는 바와 같이, 이온 빔의 수용을 증가시키는 방식으로 이온 빔을 프로세싱하기 위해 이용될 수 있다.
이제 도 1a를 참조하면, 주입 시스템(100)으로 도시된 예시적인 이온 주입기는 블록 형태로 도시된다. 이온 주입 시스템(100)은 빔라인 이온 주입기를 나타낼 수 있으며, 여기에서 일부 엘리먼트들은 설명의 명료성을 위하여 생략된다. 이온 주입 시스템(100)은, 이온 소스(102), 및 당업계에서 알려진 바와 같이 고 전압으로 홀딩되는 가스 박스(107)를 포함할 수 있다. 이온 소스(102)는, 제 1 에너지로 이온 빔(106)을 생성하기 위한 추출 컴포넌트들 및 필터들(미도시)을 포함할 수 있다. 제 1 이온 에너지에 대한 적절한 이온 에너지의 예들은 5 keV 내지 100 keV의 범위이지만, 실시예들이 이러한 맥락으로 한정되지 않는다. 고 에너지 이온 빔을 형성하기 위하여, 이온 주입 시스템(100)은 이온 빔(106)을 가속하기 위한 다양한 추가적인 컴포넌트들을 포함한다.
이온 주입 시스템(100)은, 수신된 이온 빔을 분석하도록 기능하는 분석기(110)를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 분석기(110)는 이온 소스(102)에 위치된 추출 광학부에 의해 부여된 에너지를 갖는 이온 빔(106)을 수신할 수 있으며, 여기에서 이온 에너지는 100 keV 또는 그 이하의 범위 내이고, 구체적으로, 80 keV 또는 그 아래의 범위 내이다. 다른 실시예들에 있어서, 분석기(110)는, 200 keV, 250 keV, 300 keV, 400 keV, 또는 500 keV와 같은 더 높은 에너지들까지 DC 가속기 컬럼에 의해 가속된 이온 빔을 수신할 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다. 이온 주입 시스템(100)은 또한, 집군기(130), 및 집군기(130)의 하류측에 배치된 선형 가속기(114)(점선으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 집군기(130)의 동작이 이하에서 상세화된다. 간단히 말해서, 집군기(130)는, 연속적인 이온 빔(또는 DC 이온 빔)으로서 이온 빔(106)을 수용하고 집군된 이온 빔으로서 빔을 출력하기 위해 상류측 빔라인(111)의 하류측에 배치된다. 집군된 이온 빔에 있어서, 이온 빔은 이산적인 패킷들로 출력된다. 동시에, 이온 빔의 에너지는 집군기(130)에 의해 증가될 수 있다. 선형 가속기(114)는, 도시된 바와 같이, 직렬로 배열된 복수의 가속기 스테이지들(126)을 포함할 수 있다. 가속기 스테이지들(126)은, 주어진 스테이지에서 집군된 이온 빔들을 출력하기 위하여, 그리고 스테이지들에서 이온 빔을 더 높은 에너지까지 가속하기 위하여 집군기와 유사하게 역할할 수 있다. 따라서, 집군기는 제 1 가속기 스테이지로서 간주될 수 있으며, 이는, 이온 빔이 연속적인 이온 빔으로서 수신된다는 점에 있어서 하류측 가속기 스테이지들과는 상이하다.
다양한 실시예들에 있어서, 이온 주입 시스템(100)은 추가적인 컴포넌트들, 예컨대 필터 자석(116), 스캐너(118) 및 콜리메이터(120)를 포함할 수 있으며, 여기에서 필터 자석(116), 스캐너(118) 및 콜리메이터(120)의 일반적인 기능들은 잘 알려져 있고 본원에서 추가로 상세히 설명되지 않을 것이다. 이와 같이, 선형 가속기(114)에 의한 가속 이후에, 고 에너지 이온 빔(115)에 의해 표현되는 고 에너지 이온 빔이 기판(124)을 프로세싱하기 위하여 말단 스테이션(122)에 전달될 수 있다.
이온 빔(106)이 분석기(110)에 직접적으로 제공되는 일부 실시예들에 있어서, 집군기(130)는, 언급된 바와 같이, 상대적으로 더 낮은 에너지, 예컨대 100 keV보다 더 낮은 에너지로 연속적인 이온 빔으로서 이온 빔(106)을 수신할 수 있다. 이온 주입 시스템이 DC 가속기 컬럼을 포함하는 다른 실시예들에 있어서, 이온 빔(106)은 최대 500 keV 또는 그 이상의 에너지들에서의 연속적인 이온 빔으로서 공급되도록 가속될 수 있다. 이러한 상이한 경우들에 있어서, 집군기(130)에 의해 인가되는 정확한 교류(alternating current; AC) 전압들은 집군기(130)에 의해 수신되는 연속적인 이온 빔의 이온 에너지에 따라 조정될 수 있다.
도 1b는, 이온 소스(102)의 하류측에 배치되며 제 2 이온 에너지로 가속된 이온 빔(109)을 생성하기 위하여 이온 빔(106)을 가속하도록 배열된 DC 가속기 컬럼(108)을 포함하는 이온 주입 시스템(100A)의 일 실시예를 도시하며, 여기에서 제 2 이온 에너지는 이온 소스(102)에 의해 생성된 제 1 이온 에너지보다 더 크다. DC 가속기 컬럼(108)은, 중간 에너지 이온 주입기들에서 사용되는 컬럼들과 같은 알려진 DC 가속기 컬럼들에서와 같이 배열될 수 있다. DC 가속기 컬럼은 이온 빔(106)을 가속할 수 있으며, 여기에서 가속된 이온 빔(109)은 200 keV, 250 keV, 300 keV, 400 keV, 또는 500 keV와 같은 에너지로 분석기(110) 및 집군기(130)에 의해 수신된다. 그렇지 않다면, 이온 주입 시스템(100A)은 이온 주입 시스템(100)과 유사하게 기능할 수 있다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른, 집군기(130)로서 도시된 선형 가속기의 예시적인 집군기의 구조를 도시한다. 집군기(130)는, 가속된 이온 빔(109)으로서 도시된, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브(152)를 포함하는 드리프트 튜브 어셈블리(150)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 접지된 드리프트 튜브(152)는 전기적 접지에 연결된다. 드리프트 튜브 어셈블리(150)는, 제 1 접지된 드리프트 튜브(152)의 하류측에 배열된 AC 드리프트 튜브 어셈블리를 더 포함할 수 있다. 이하에서 상세하게 논의되는 바와 같이, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)는 일반적으로 라디오 주파수 범위(RF 범위) 내인 AC 전압 신호를 수신하도록 배열되며, 이러한 신호는 가속된 이온 빔(109)을 가속하고 조작하도록 기능한다. 도 2의 실시예에 있어서, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)는 단지 하나의 AC 드리프트 튜브만을 포함한다. 다른 실시예들에 있어서, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)는 다수의 AC 드리프트 튜브들을 포함할 수 있다.
드리프트 튜브 어셈블리(150)는 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 하류측에 제 2 접지된 드리프트 튜브(154)를 더 포함한다. 전체적으로, 드리프트 튜브 어셈블리(150)는, 연속적인 이온 빔을 수신하고, 중공형 실린더들을 통해 이온 빔을 전도시키며, 이온 빔을 하류측에 위치되는 가속 스테이지(158)에 의해 수신되고 추가로 가속될 집군(bunch)(109A)으로서 도시된 이산적인 패킷들로 집군하는 방식으로 이온 빔의 일부 부분들을 가속하고 다른 부분들을 감속하기 위하여 중공형 실린더들로서 배열된다. 드리프트 튜브 어셈블리(150)는 이를 통해 전도되는 이온 빔의 오염을 최소화하도록 구성된 흑연 또는 유사한 적절한 재료로 구성될 수 있다. 가속 스테이지(158)로서 표시된 후속 가속 스테이지들은 잘-정의된(well-defined) 주파수(ω)로 동작할 수 있으며, 이러한 가속 구조체들 내로의 집군들의 캡처는 이러한 기초 각도 주파수(ω)에 대하여 대략 ±5°의 위상 각도로 제한될 수 있다. 전체 빔라인을 통해 가능한 최대 전류를 송신하기 위하여, 이러한 기초 주파수(ω)의 각각의 사이클에 대하여 하나의 집군을 생성하도록 집군기(130)를 배열하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 집군기(130)는, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 전력형 드리프트 튜브에서 변화하는 전압을 드라이브(drive)하기 위해 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)로 AC 전압 신호를 전송하도록 배열된 AC 전압 어셈블리(140)를 더 포함한다. AC 드리프트 튜브 어셈블리(156) 어셈블리 상의 변화하는 전압은, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)에서의 이온들의 도착 시간에 의존하여 이온들에 상이한 가속을 제공한다. 이러한 방식으로, 집군(109A)의 후행(trailing) 단부(109A1)에는 집군(109A)의 선행(leading) 단부(109A2)보다 더 많은 속도가 주어지며, 집군(109A)의 전체는 가속 스테이지(158)에 도착할 때 가능한 한 콤팩트하게 된다. 다양한 실시예들에 있어서, AC 전압 신호는, 연속적인 이온 빔의 개선된 집군을 제공하기 위한 방식으로 AC 전압 신호를 생성하도록 중첩된 복수의 개별적인 AC 전압 신호들의 합성물일 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, AC 전압 어셈블리(140)는 제 1 주파수로 제 1 AC 전압 신호 및 제 2 주파수로 제 2 AC 전압 신호를 생성할 수 있으며, 여기에서 제 2 주파수는 제 1 주파수의 정수 배수를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, AC 전압 어셈블리(140)는 제 3 주파수로 제 3 AC 전압 신호를 생성할 수 있으며, 여기에서 제 3 주파수는 제 2 주파수와는 상이한 제 1 주파수의 정수 배수로 구성되는 등이다. 따라서, 제 2 주파수, 제 3 주파수 등은 제 1 주파수의 고조파(harmonics)일 수 있으며, 여기에서 주파수는, 제 1 주파수에 비하여, 2배, 3배 등일 수 있다.
도 2의 실시예에 있어서, AC 전압 어셈블리(140)는, V1cos(ωt + φ1), V2cos(2ωt + φ2), 및 V3cos(3ωt + φ3)에 의해 표현되는, 3개의 상이한 AC 전압 신호들을 생성하는 것으로 도시된다. 예시의 목적을 위하여, AC 전압 신호들은 사인파 신호들로서 도시되지만, 다른 파형들이 가능하다. AC 전압 어셈블리(140)는, 각기 제 1 AC 전압 신호, 제 2 AC 전압 신호, 및 제 3 AC 전압 신호를 생성하기 위한 제 1 AC 전압 공급부(142), 제 2 AC 전압 공급부(144), 및 제 3 AC 전압 공급부(146)를 포함할 수 있다. AC 전압 공급부는 동기화된 신호 생성기에 의해 구동되는 RF 증폭기를 사용하여 구현될 수 있다. 일반적인 용어 V는 AC 전압 신호의 최대 진폭을 나타내며, 반면 일반적인 용어 φ는 AC 전압 신호의 위상을 나타낸다. 따라서, 최대 진폭 및 위상이 상이한 신호들 사이에서 상이할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 제 2 및 제 3 AC 신호들은 각기 제 1 신호의 주파수(ω)의 배증(doubling) 및 3배증(tripling)을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, AC 전압 어셈블리(140)는 가산기(148)를 포함할 수 있으며, 여기에서 가산기(148)는 개별적인 전압 신호들을 합하고 복합 AC 전압 신호(149)를 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)로 출력한다.
다양한 실시예들에 있어서, 복합 AC 전압 신호는 AC 전압 신호들로부터 형성될 수 있으며, 여기에서 AC 전압 신호의 최고 주파수는 약 120 MHz 또는 그 이하이다.
복합 AC 전압 신호(149)는, 하류측 가속 스테이지에서의 수용을 증가시키는 방식으로 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)에 의해 프로세싱되는 이온들의 위상 의존성을 조정하도록 설계된다. 알려진 이온 주입 시스템들의 선형 가속기들에 있어서, 하류측 가속 스테이지들로 패킷들로 송신하기 위해 연속적인 이온 빔이 집군될 때, 이온 빔의 특정 분율(fraction)이 가속 및 집군 프로세스의 속성에 기인하여 벽들 또는 다른 표면들로 손실된다. 수용은 손실되지 않은 이온 빔의 퍼센트(예컨대 빔 전류의 퍼센트)를 지칭하며, 따라서 하류측 가속 스테이지에 의해 수용되는 퍼센트를 지칭한다. 언급된 바와 같이, 선형 가속기들을 이용하는 알려진 이온 주입 장치에 있어서, 수용은, 다양한 조건들이 최적화될 때, 최대 약 30% 내지 35%일 수 있다. 이러한 알려진 이온 주입 시스템들은, 수십 kV의 범위 내의 전압 진폭을 갖는, 10 MHz, 13.56 MHz, 또는 20MHz의 주파수를 갖는 AC 전압 신호를 가지고 집군기를 구동할 수 있다. 특히, 알려진 이온 주입 시스템들에서 AC 전압 신호는 단일 주파수의 단순 AC 전압 신호로서 생성될 수 있다.
특히, 복합 AC 전압 신호의 기초 컴포넌트는 V1cos(ωt)로 단순화될 수 있으며, 여기에서 다른 2개의 AC 전압 신호들에 대한 상대적인 위상은 각기 위상 오프셋들, φ2 또는 φ3에 의해 주어진다. 이하에서 상세화되는 바와 같이, 이러한 오프셋들은 수용을 증가시키기 위해 조정될 수 있다.
특히, 본 발명자는, 합성물(복합 파형)을 생성하기 위한 다수의 주파수들의 적용이, 단일 주파수에서 AC 전압 신호를 이용하는 알려진 집군기들에 비하여, 더 양호한 출력 위상 코히어런스/캡처(coherence/capture)를 생성한다는 것을 발견하였다.
이제 도 3을 참조하면, 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른, 선형 가속기의 예시적인 집군기인, 집군기(160)의 구조가 도시된다. 집군기(160)는, 가속된 이온 빔(109)으로서 도시된, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브(182)를 포함하는 드리프트 튜브 어셈블리(170)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 접지된 드리프트 튜브(182)는 전기적 접지에 연결된다. 드리프트 튜브 어셈블리(170)는, 제 1 접지된 드리프트 튜브(182)의 하류측에 배열된 AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)를 더 포함할 수 있다. 이하에서 상세하게 논의되는 바와 같이, AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)는, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)와 유사하게, 일반적으로 라디오 주파수 범위(RF 범위) 내인 AC 전압 신호(들)를 수신하도록 배열되며, 이러한 신호는 가속된 이온 빔(109)을 가속하고 조작하도록 기능한다. 도 3의 실시예에 있어서, AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)는, AC 드리프트 튜브(184), AC 드리프트 튜브(186), 및 AC 드리프트 튜브(188)로서 도시된 3개의 AC 드리프트 튜브들을 포함한다.
드리프트 튜브 어셈블리(170)는 AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)의 하류측에 제 2 접지된 드리프트 튜브(190)를 더 포함한다. 전체적으로, 드리프트 튜브 어셈블리(170)는, 연속적인 이온 빔을 수신하고, 중공형 실린더들을 통해 이온 빔을 전도시키며, 이온 빔을 하류측에 위치되는 가속 스테이지(192)에 의해 수신되고 추가로 가속될 집군(109A)으로서 도시된 이산적인 패킷들로 집군하는 방식으로 이온 빔을 가속하기 위하여 중공형 실린더들로서 배열된다. 이와 같이, 드리프트 튜브 어셈블리(170)는 적어도 100 mm의 그리고 400 mm보다 더 작은 (이온 빔의 전파의 방향을 따른) 길이를 갖는 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리로 구성될 수 있다.
도 3의 실시예에 있어서, AC 전압 어셈블리(162)가 제공되며, 이는, AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)의 전력형 드리프트 튜브에서 변화하는 전압을 드라이브하기 위해 AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)로 AC 전압 신호를 전송하도록 배열된다. AC 전압 어셈블리(162)는, 제 1 AC 전압 공급부(142)가 AC 드리프트 튜브(184)를 구동하고, 제 2 AC 전압 공급부(144)가 AC 드리프트 튜브(186)를 구동하며, 제 3 AC 전압 공급부(146)가 AC 드리프트 튜브(188)를 구동하도록 구성될 수 있다. 이러한 AC 전압 신호들은, 복합 AC 전압 신호(149)와 유사한 복합 신호를 효율적으로 생성하기 위해 제어기(164)에 의해 시간적으로 동기화될 수 있다. 도 3이 최저 주파수 AC 전압 신호가 가장 먼 상류측 AC 드리프트 튜브에 공급되는 구성을 예시하지만, 다른 실시예들에 있어서, 최저 주파수 AC 전압 신호(V1cos(ωt + φ1))가 상이한 AC 드리프트 튜브에 적용될 수 있다. 동일한 것이 중간 주파수 AC 전압 신호(V2cos(2ωt + φ2)), 및 고 주파수 AC 전압 신호(V3cos(3ωt + φ3))에 적용된다. 이러한 구성은 도 2의 구성을 뛰어 넘는 장점을 가지며, 여기에서 전원 공급장치가 다른 전원 공급장치들과 간섭할 위험이 회피된다.
집군기를 구동하기 위해 다중-주파수 AC 전압 신호의 사용이 가능하지만, 특히, AC 전압 신호들을 생성하기 위하여 다수의 주파수들을 사용하는 것은, 이하에서 상세화되는 바와 같이, 더 많은 전압 공급부들을 수반할 수 있으며, 더 긴 빔라인을 초래할 수 있다. 따라서, 빔라인 이온 주입기에서 이러한 구성은 지금까지 생각되지 않았다. 특히, 본 발명자는, 특히, 붕소, 인, 및 유사한 것과 같은 일반적인 도펀트들의 범위 내의 질량을 갖는 이온들에 대하여, 이온 빔 스루풋을 현저하게 개선하기 위하여 구동 신호들을 조정함으로써 이러한 고려사항들이 극복될 수 있는 구성들을 식별하였다. 특히, 도 2의 "단일-링"(여기에서 "링"은 AC 드리프트 튜브를 지칭함) 또는 도 3의 "3중-링" 집군기에 있어서, 복합 AC 전압 신호가 생성되며, 여기에서 이온 빔을 집군하는 것은, AC 드리프트 튜브 어셈블리로부터의 목표된 거리에서 이온 빔을 사용함으로써 위상 코히어런스를 개선하고 그에 따라 수용을 증가시키는 방식으로 수행된다.
이제 도 4를 참조하면, 드리프트 튜브 어셈블리(150)의 묘사, 및 빔 경로를 따른 밀리미터의 거리의 함수로서 도시된 대응하는 위상 맵을 포함하는 복합 예시가 도시된다. 위상 맵은 거리의 함수로서 (우측 세로 좌표 상에 도시된) 위상을 예시하는 그래프이며, 여기에서 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 단독(lone) 드리프트 튜브의 위치는 30 mm 내지 75 mm 사이에서 연장한다. 이러한 위치에서, (좌측 세로 좌표에 의해 도시된) AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)에 인가되는 전압은 약 18 kV의 최대치에 도달하며, 40 MHz의 주파수로 인가된다. 가속된 이온 빔(109)의 일련의 21개의 상이한 광선들의 상대적인 위상 위치가 그래프의 우측까지 도시된다. 가속된 이온 빔(109)의 이온들의 질량은 20 amu로 가정된다. 도시된 바와 같이, 전압은 AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 위치에서 최대치에 도달하며, 다른 곳에서는 0이다. AC 드리프트 튜브 어셈블리(156) 내로의 입구 지점에서, 21개의 예시적인 광선들은 18 도의 간격으로 위상적으로 동등하게 이격된다. AC 전압 어셈블리(140)에 의해 생성된 것과 같은, V = V1cos(ωt + φ1)+V2cos(2ωt + φ2) +V3cos(3ωt + φ3)에 의해 주어지는 복합 AC 전압 신호에 의해 처리될 때, 다양한 광선들은, 도시된 바와 같이, 위상적으로 우측으로 수렴한다.
AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 입구의 우측에 대해 670 mm인, 700 mm에 대응하는 위치에서, 다수의 광선들 사이의 위상 차이가 0에 가깝다. 따라서, 가속 스테이지(158)에 대한 입구가, 다수의 광선들 사이의 0-위상 차이에 대응하는 700 mm 위치에 위치될 때, 수용이 최대일 수 있다. +/- 5-도 변동에 기초하는 수용에 대하여, 도 4의 예에 있어서, 가속기에서의 수용은 약 55%이다. 다양한 다른 시뮬레이션들에 있어서, 도 4의 구성에 대한 최대 수용은 75%만큼 높은 것으로 계산되었으며, 이는 단일 주파수 집군기들을 이용하는 알려진 이온 주입기들에서의 30%-35%의 수용에 비하여 상당한 개선이다. 예를 들어, V가 59.4 kV와 동일하게 설정될 때, 수용은 75%이며, 반면 24 kV에서, 수용은 65%이다.
특히, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 예시를 사용하는 도 4에 도시된 위상 수렴에 대한 동일한 거동이, AC 드리프트 튜브 어셈블리(180)의 3중 링 구성에 동일한 전압 파라미터들을 적용함으로써 획득될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는, 본 실시예들에 따른 복합 AC 전압 신호를 인가하는 것의 이점을 강조하는, 이온 빔들의 상이한 광선들의 위상 거동을 예시하는 그래프들이다. 도 5a는 도 4의 실시예의 복합 AC 전압 파라미터들을 가지고 계속되며, 반면 도 5b는 이온 빔에 단일 AC 전압 신호를 인가하는 것의 일 예를 예시한다. 도 5b의 예시에 있어서, AC 신호는 V = Vmax cos(ωt + φ)에 의해 주어지며, 반면 도 5a에서, AC 신호는 V = V1cos(ωt + φ1)+V2cos(2ωt + φ2) +V3cos(3ωt + φ3)에 의해 주어진다. 주파수(ω)는 2개의 경우들 모두에서 40 MHz이다.
2개의 상이한 그래프들에서, 위상 거동은, 집군기에 대한 입구에서의 주어진 광선들의 위상의 함수로서, 입구 근처의 지점으로부터 집군기까지의 지정된 거리에서의 주어진 광선들의 위상을 묘사한다. 지정된 거리는, 이온 빔의 상이한 광선들의 위상이 알맞게 수렴될 수 있는 거리로 설정된다. 따라서, 도 4를 다시 참조하면, 집군(109A)에서, AC 드리프트 튜브 어셈블리(156)의 동작은 위상-지연(phase-lagging) 이온들, 즉, 후행 단부(109A1)를 가속하는 경향이 있으며, 위상-선행 이온들, 즉, 선행 단부(109A2)를 감속하는 경향이 있고, 이는 예컨대 700 mm에서 위상 수렴을 야기한다.
35%의 가장 높은 상대적인 수용을 생성하는 가장 높은 위상 코히어런트 조건인 도 5b에서, 30 도만큼 작은 초기 위상에서의 차이들에 대해서도 400 mm에서 작은 정도의 위상 차이가 존재한다. 다른 전압들에 대하여, 거동은 도시된 바와 같이 더 나쁘다. 특히, 도 5a의 실시예는, 400 mm에서의 수렴을 필요로 하는 단일 주파수 집군기 결과들보다 어느 정도 더 긴, 700 mm에서 수렴을 생성한다. 이러한 결과는 부분적으로 약 20 kV와 같은 복합 AC 전압 신호에 대하여 AC 전압 진폭을 합리적인 레벨로 유지해야 하는 필요성에 기인한다. 단일 주파수 집군기의 경우에 있어서, 20 kV AC 전압 진폭에서의 동작은 400 mm에서의 수렴을 허용한다. 도 5a의 실시예가 단일 주파수 집군기 아키텍처에 대하여 집군기와 가속기 사이의 어느 정도 더 긴 분리를 수반할 수 있지만(700 mm vs 400 mm), 이점은 상당히 더 큰 수용, 및 그에 따른 LINAC의 메인 가속기 스테이지들 내로 전도되는 상당히 더 큰 빔 전류이다. 다양한 추가적인 실시예들에 있어서, 수렴 길이는 300 mm 내지 1000 mm의 범위일 수 있다.
특정 이론에 제한되지 않고, 이상의 결과들은 다음의 방식으로 해석될 수 있다. 합성 또는 복합 AC 전압 신호(파형)를 생성하기 위한 다수의 주파수들의 적용은 캡처를 증가시키는데 더 도움이 되는 형상을 갖는 파형을 생성할 수 있다. 원칙적으로, 파형은 도 10에 도시된 바와 같은 수직 톱니 파형과 같은 날카로운 특성을 갖는다. 이러한 파형은, 하나의 "이빨(tooth)"이 이온들로 하여금 하나의 집군을 만들기 위해 함께 모이게끔 하는 방식으로 이온들을 가속할 수 있으며, 이는 이론적으로 ~100% 캡처를 가능하게 한다. 특히, 특정 집군기들에 있어서, 공진 회로에 기초하는 공진기가 (메가헤르츠 범위 내의) 관련 주파수들로 AC 전압 파형을 드라이브하기 위해 사용되며, 여기에서 공진 회로는 본질적으로 사인파 파형을 생성하고, 이러한 파형은 수직 톱니 경우에서와 같은 높은 캡처를 생성하지 않는다. 본 접근 방식에 있어서, 다수의 상이한 주파수들에서의 사인파 파형들의 추가는, 이상적인 톱니 형상에 가까운 형상을 나타낼 수 있으며 그에 따라 이상에서 설명된 바와 같이 개선된 출력 위상 코히어런스 및 캡처를 증가시킬 수 있는 복합 파형을 생성하기 위해 사용된다.
본 실시예들에 있어서, 2개 이상의 파형들이, 제 1 파형이 기초 주파수로 생성되며 다른 파형(들)이 기초 주파수의 정수 배수로 생성되는 관계를 나타낼 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이러한 방식으로, 새로운 컴포넌트가 기초 주파수의 정수 배수에 존재할 때, 각각의 이온 집군은 동일한 필드들을 경험할 것이며, 기초 최고 공통 인자 주파수는 기초 주파수에 남아 있는다.
원칙적으로, (푸리에 급수와 같은) 많은 수의 파형들의 추가는 톱니 파형을 더 정확하게 근사화하는 합성된 복합 파형을 생성할 수 있지만, 이러한 접근 방식은 이러한 많은 수의 주파수들을 추가하는 증가된 비용으로 인해 비현실적일 수 있다. 본 발명자는, 사인파 파형들의 단지 2개 또는 3개의 고조파들의 추가가, 이상에서 논의된 바와 같은, 출력 위상 코히어런스 및 캡처에 있어서 매우 상당한 증가를 생성한다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자는, 별개의 전극들에 대한 상이한 사인파 파형들의 적용이 단일 전극에 상이한 사인 파형들을 적용하는 것과 유사하게 작동할 수 있다는 것, 및 단지 2개의 파형들의 적용이, 단일 주파수 파형에 의해 생성되는 상대적으로 더 낮은 출력 위상 코히어런스와는 대조적으로, 3개의 파형들의 경우와 유사하게 출력 위상 코히어런스 및 캡처에 있어서 상당한 개선을 생성한다는 것을 발견하였다.
LINAC의 추가적인 스테이지들이 본 실시예들의 집군기들과 유사한 방식으로 수행할 수 있지만, 이온들의 패킷을 가속하고 추가로 집군하기 위하여 LINAC의 이러한 추가적인 스테이지들은 도시된 바와 같이 복합 AC 전압 신호들에 의해 구동될 필요가 없다. 다시 말해서, 집군기의 복합 AC 전압 신호가 가속기 스테이지에 대한 입구에서 집군된 이온 빔의 다양한 광선들의 위상을 이미 대부분 수렴시켰기 때문에, 위상 수렴의 추가적인 개선이 덜 필요할 수 있다. 이러한 사실은, AC 전압 어셈블리들의 더 간단한 설계가 LINAC의 가속기 스테이지들을 구동하는 것을 가능하게 한다.
일 예로서, 3중-주파수 복합 AC 신호의 일 실시예에 있어서, 제 1 신호에 대한 기초 주파수는 40 MHz일 수 있으며, 반면 제 1 신호에 추가되는 제 2 신호에 대한 제 1 고조파 주파수는 80 MHz일 수 있고, 제 1 신호 및 제 2 신호에 추가되는 제 3 신호에 대한 제 2 고조파 주파수는 120 MHz일 수 있다.
특히, 이상의 실시예들이 3개의 AC 전압 신호들에 기초하여 복합 AC 전압 신호들을 생성하는 것 및 3개의 드리프트 튜브들을 포함하는 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리를 이용하는 것을 강조하지만, 반면 다른 실시예들에 있어서, 복합 AC 전압 신호는 2개의 AC 전압 신호들 또는 4개의 AC 전압 신호들로부터 형성될 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 다른 실시예들에 따른 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리는 2개의 드리프트 튜브들 또는 4개의 드리프트 튜브들을 이용할 수 있다. 실시예들이 이러한 맥락으로 제한되지 않는다.
도 6은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 프로세스 흐름(600)을 도시한다. 블록(602)에서, 이온 빔은, 예컨대 이온 소스로부터의 추출에 의해 연속적인 이온 빔으로서 생성된다. 이와 같이, 이온 빔은 몇 keV 내지 약 80 keV에 이르는 범위 내의 이온 에너지를 나타낼 수 있다. 선택적으로, 연속적인 이온 빔은 가속된 연속적인 이온 빔을 생성하기 위해 가속될 수 있다. 일 예에 있어서, DC 가속기 컬럼이 연속적인 이온 빔을 가속하기 위해 적용될 수 있다. 이와 같이, 가속된 연속적인 이온 빔은 200 keV 내지 500 keV의 또는 일부 실시예들에서는 그 이상의 이온 에너지를 나타낼 수 있다.
블록(604)에서, 연속적인 이온 빔이 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리에서 수신된다. 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리는, 제 1 접지된 드리프트 튜브 및 제 2 접지된 드리프트 튜브뿐만 아니라, 제 1 접지된 드리프트 튜브와 제 2 접지된 드리프트 튜브 사이에 배치된 멀티-링 AC 드리프트 튜브 어셈블리를 포함할 수 있다.
블록(606)에서, 연속적인 이온 빔은, 제 1 AC 전압 신호가 제 1 AC 드리프트 튜브에 제 1 주파수로 인가되는 동안, 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리의 제 1 AC 드리프트 튜브를 통해 전도된다.
블록(608)에서, 연속적인 이온 빔은, 제 2 AC 전압 신호가 제 2 AC 드리프트 튜브에 제 2 주파수로 인가되는 동안, 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리의 제 2 AC 드리프트 튜브를 통해 전도된다. 다양한 실시예들에 있어서, 제 2 주파수는 제 1 주파수의 정수 배수, 예컨대 제 1 주파수의 2배일 수 있다. 선택적인 동작에 있어서, 가속된 연속적인 이온 빔은, 제 3 AC 전압 신호가 제 3 AC 드리프트 튜브에 제 3 주파수로 인가되는 동안, 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리의 제 3 AC 드리프트 튜브를 통해 전도될 수 있다. 제 3 주파수는, 제 2 주파수와는 상이한, 제 1 주파수의 정수 배수일 수 있다. 이와 같이, 가속된 연속적인 이온 빔이 집군된 이온 빔으로서 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리로부터 출력될 수 있다.
도 7은 본 개시의 추가적인 실시예들에 따른, 선형 가속기에 대한 다른 예시적인 집군기인 집군기(200)를 도시한다. 집군기(200)는, 가속된 이온 빔(109)으로서 도시된, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브(202)를 포함하는 드리프트 튜브 어셈블리(201)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 접지된 드리프트 튜브(202)는 전기적 접지에 연결된다. 드리프트 튜브 어셈블리(201)는, 제 1 접지된 드리프트 튜브(182)의 하류측에 배열된 AC 드리프트 튜브 어셈블리(203)를 더 포함할 수 있다. AC 드리프트 튜브 어셈블리(203)는, 전술된 AC 드리프트 튜브 어셈블리들과 유사하게, 일반적으로 라디오 주파수 범위(RF 범위) 내인 AC 전압 신호(들)를 수신하도록 배열되며, 이러한 신호는 가속된 이온 빔(109)을 가속/감속하고 조작하도록 기능한다. 도 7의 실시예에 있어서, 드리프트 튜브 어셈블리(201)는, AC 드리프트 튜브(204), 및 AC 드리프트 튜브(208)로서 도시된 2개의 AC 드리프트 튜브들을 포함한다.
드리프트 튜브 어셈블리(201)는 AC 드리프트 튜브 어셈블리(203)의 하류측에 제 2 접지된 드리프트 튜브(210)를 더 포함한다. 전체적으로, 드리프트 튜브 어셈블리(201)는, 연속적인 이온 빔을 수신하고, 중공형 실린더들을 통해 이온 빔을 전도시키며, 이온 빔을 하류측에 위치되는 선형 가속기(212)에 의해 수신되고 추가로 가속될 패킷(109B)으로서 도시된 이산적인 패킷들로 집군하는 방식으로 이온 빔을 가속/감속하기 위하여 중공형 실린더들로서 배열된다. 이와 같이, 드리프트 튜브 어셈블리(201)는 적어도 100 mm의 그리고 400 mm보다 더 작은 (이온 빔의 전파의 방향을 따른) 길이를 갖는 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리로 구성될 수 있다.
도 7의 실시예에 있어서, AC 전압 어셈블리(166)가 제공되며, 이는, AC 드리프트 튜브 어셈블리(203)의 전력형 드리프트 튜브에서 변화하는 전압을 드라이브하기 위해 AC 드리프트 튜브 어셈블리(203)로 AC 전압 신호를 전송하도록 배열된다. AC 전압 어셈블리(166)는, 제 1 AC 전압 공급부(214)가 AC 드리프트 튜브(204)를 구동하고, 한편 제 2 AC 전압 공급부(216)가 AC 드리프트 튜브(208)를 구동하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 있어서 그리고 도 8의 구성에 있어서, 2개의 상이한 AC 전압 공급부들은 40 MHz의 제 1 주파수 및 80 MHz의 제 2 주파수를 출력할 수 있거나, 또는, 대안적으로, 2개의 상이한 AC 전압 공급부들은 상이한 비-제한적인 실시예들에 따라 13.56 MHz의 제 1 주파수 및 27.12 MHz의 제 2 주파수를 출력할 수 있다.
이러한 AC 전압 신호들은, V = V1cos(ωt + φ1)+V2cos(2ωt + φ2)에 의해 주어지는 복합 신호를 갖는, 단일 드리프트 튜브에 의해 생성되는 바와 유사한 빔 거동을 생성하기 위해 제어기(164)에 의해 시간적으로 동기화될 수 있다. 이러한 방식으로, 이온들의 입력 위상의 함수로서 출력 위상 코히어런스는, 이상에서 논의된, 도 2 내지 도 5b의 실시예들과 유사한 방식으로 단일 주파수 집군기들에 비하여 개선될 수 있다.
도 7이 최저 주파수 AC 전압 신호가 가장 먼 상류측 AC 드리프트 튜브(204)에 공급되는 구성을 예시하지만, 다른 실시예들에 있어서, 최저 주파수 AC 전압 신호(V1cos(ωt + φ1))가 상이한 AC 드리프트 튜브에 적용될 수 있다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예들에 따른 또 다른 예시적인 집군기인 집군기(220)를 도시한다. 집군기(220)는, 가속된 이온 빔(109)으로서 도시된, 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열된 제 1 접지된 드리프트 튜브(202)를 포함하는 드리프트 튜브 어셈블리(221)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 1 접지된 드리프트 튜브(202)는 전기적 접지에 연결된다. 드리프트 튜브 어셈블리(221)는, 제 1 접지된 드리프트 튜브(202)의 하류측에 배열된 AC 드리프트 튜브(204)를 더 포함할 수 있다. 도 8의 실시예에 있어서, 도 7의 실시예에서와 같이, AC 드리프트 튜브(208)는 AC 드리프트 튜브(204)의 하류측에 위치되며, 제 2 접지된 드리프트 튜브(210)는 AC 드리프트 튜브(208)의 하류측에 위치된다. 이와 같이, 드리프트 튜브 어셈블리(201)는 적어도 100 mm의 그리고 400 mm보다 더 작은 (이온 빔의 전파의 방향을 따른) 길이(L)를 갖는 멀티-링 드리프트 튜브 어셈블리로 구성될 수 있다. 전술된 컴포넌트들에 더하여, 드리프트 튜브 어셈블리(221)는 AC 드리프트 튜브(204)와 AC 드리프트 튜브(208) 사이에 배치된 중간 접지된 드리프트 튜브(206)를 포함한다. 이러한 구성에 의해 제공되는 장점은, AC 드리프트 튜브(204) 및 AC 드리프트 튜브(208)를 각기 구동하는 2개의 전원 공급장치들(AC 전압 공급부(214), AC 전압 공급부(216)) 및 2개의 공진 회로들 사이의 크로스-토크(cross-talk)의 감소된 위험이다.
도 8의 실시예는, 이온 빔이 빔라인 아래로 전도됨에 따라, 하나의 접지된 드리프트 튜브와 교번하는 하나의 AC 드리프트 튜브의 교번하는 시퀀스에 의해 특징지어지는 드리프트 튜브 어셈블리(221)를 예시한다. 교번하는 시퀀스들의 다른 실시예들에 있어서, 접지된 드리프트 튜브가 AC 드리프트 튜브들의 각각의 연속적인 쌍 사이에 배치된다는 점을 제외하면, 전반적으로 도 3에 대하여 설명된 바와 같이 3개 또는 그 이상의 AC 드리프트 튜브들이 복합 AC 신호를 생성하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 모든 전원 공급장치들 및 공진기들 사이의 크로스-토크가 축소될 수 있다.
2개의 주파수들을 사용하는 실시예들에 있어서, 최대 200 도에 이르는 출력 위상 코히어런스가 최대 55%에 이르는 이온 빔의 수용을 가지고 획득될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 다양한 실시예들에 있어서, 드리프트 튜브들의 튜브 길이는 다음의 고려사항들을 가지고 조정될 수 있다: 1) 길이는, 주어진 이온 빔 내의 이온들이 180°에서 이동한 거리에 거리, 또는
Figure 112021019670583-pat00001
에 따라 조정될 수 있으며, 여기에서 v는 속도이다. 이러한 거리는 주어진 전압에 대하여 최대 가속을 제공하지만, 어떤 바람직하지 않은 위상 효과들을 생성할 수 있다. 0.2D0만큼 작은 더 짧은 튜브들을 사용하는 것이 더 높은 전압을 필요로 할 수 있지만, 전체적으로 더 양호한 결과들을 생성할 수 있다. 수렴 길이(L)와 관련하여, 이러한 파라미터를 더 짧게 만드는 것이 유익하지만, 더 높은 전압이 인가될 것을 요구한다. 따라서, L은 이온 종, 전압 고려사항들, 및 다른 효과들에 기초하여 상이한 실시예들에 따라 300 mm 내지 1 m의 범위일 수 있다.
또한, 설계가 인가되는 최대 전압으로 한정되고 개별적인 주파수들이 감산(subtractive)될 때 다중주파수 신호들의 적용이 일반적으로 수렴 길이를 증가시키도록 역할할 수 있지만, 특정 다중주파수 설계들은 수렴 길이를 증가시키지 않고 달성될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
도 9는 이러한 배열의 일 예를 제공하며, 여기에서 집군기(230)가 도시된다. 드리프트 튜브 어셈블리(232)는, 제 1 접지된 드리프트 튜브(234); 제 1 접지된 드리프트 튜브(234)에 인접하여 그리고 제 1 접지된 드리프트 튜브(234)의 하류측에 배치되는 제 1 AC 드리프트 튜브(236); 제 1 AC 드리프트 튜브(236)의 하류측에 배열되는 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브(238); 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브(238)에 인접하여 그리고 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브(238)의 하류측에 배치되는 제 2 AC 드리프트 튜브(240); 제 2 AC 드리프트 튜브(240)에 인접하여 그리고 제 2 AC 드리프트 튜브(240)의 하류측에 배치되는 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브(242); 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브(242)에 인접하여 그리고 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브(242)의 하류측에 배치되는 제 3 AC 드리프트 튜브(244); 및 제 2 접지된 드리프트 튜브(246)를 포함하며, 여기에서 제 2 접지된 드리프트 튜브(246)는 제 3 AC 드리프트 튜브(244)에 인접하여 그리고 제 3 AC 드리프트 튜브(244)의 하류측에 배치된다. 다시 한 번, 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브(238) 및 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브(242)의 제공은 제 1 AC 전압 공급부(142), 제 2 AC 전압 공급부(144), 및 제 3 AC 전압 공급부(146) 사이의 크로스토크를 방지할 수 있다.
요컨대, 본 실시예들은, 단독 AC 드리프트 튜브에 협력하여 적용되거나 또는 전용 AC 드리프트 튜브들에 별개로 그리고 개별적으로 적용되는 다중-주파수 신호들을 사용하여 제어되는 집군기들을 제공한다. 비제한적으로, 다양한 실시예들은 이하의 표 1에 열거되는 바와 같은 상업적으로 이용가능한 주파수들을 이용할 수 있다.
[표 1]
Figure 112021019670583-pat00002
이상의 표 1은 US FCC에 의해 정의된 바와 같은 다양한 ISM 주파수들을 예시하며, 여기에서, 본 실시예에 있어서, 각각의 주파수는 하나의 신호에 적용되는 기초 주파수의 정수 배수일 것이다. 따라서, 2 주파수 실시예에 있어서, 13.56 MHz 및 27.12 MHz의 조합이 적절하며, 3-주파수 실시예에 있어서, 13.56 MHz 및 27.12 MHz, 및 40.68 MHz의 조합이 적절하는 등이다.
이상을 고려하면, 적어도 다음의 장점들이 본원에 개시된 실시예들에 의해 달성된다. 제 1 장점은 집군기를 구동하기 위하여 복합 AC 전압 신호를 제공함으로써 실현되며, 따라서 상당히 더 큰 이온 빔 전류가 하류측에 배치된 LINAC를 통해 송신될 수 있다. 추가적인 장점은 복수의 AC 전원 공급장치들의 주어진 전원 공급장치로부터 주어진 AC 신호를 전용 전극으로 드라이브하기 위한 능력이며, 이는, 복합 AC 전압 신호의 경우에서와 같이 여전히 더 큰 이온 빔 전류를 드라이브하면서, 공통 전극을 통해 다수의 AC 전압 신호들을 드라이브하도록 결합된 공통의 다수의 전원 공급장치들에 결합될 때 발생할 수 있는 전원 공급장치들 사이의 간섭을 회피한다.
본 개시의 특정 실시예들이 본원에서 설명되었지만, 본 개시가 당업계에서 허용할 그리고 명세서가 유사하게 판독될 수 있는 바와 같이 광범위한 범위이기 때문에 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 따라서, 이상의 설명이 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다. 당업자들은 본원에 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내의 다른 수정예들을 구상할 것이다.

Claims (13)

  1. 이온 주입 시스템으로서,
    연속적인 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스;
    상기 이온 소스의 하류측에 배치되며, 상기 연속적인 이온 빔을 수신하고 집군된(bunched) 이온 빔을 출력하기 위한 집군기(buncher)로서, 상기 집군기는 드리프트 튜브 어셈블리를 포함하고, 상기 드리프트 튜브 어셈블리는 서로 교번하는 방식으로 배열된 접지된 드리프트 튜브들의 세트 및 AC 드리프트 튜브들의 세트의 교번하는 시퀀스를 포함하며, 상기 드리프트 튜브 어셈블리는 추가로,
    상기 연속적인 이온 빔을 수용(accept)하도록 배열되는 제 1 접지된 드리프트 튜브;
    상기 제 1 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 1 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배열되는 중간 접지된 드리프트 튜브;
    상기 중간 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 중간 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 AC 드리프트 튜브;
    제 2 접지된 드리프트 튜브로서, 상기 제 2 접지된 드리프트 튜브는 상기 제 2 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 2 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는, 상기 제 2 접지된 드리프트 튜브; 및
    상기 제 1 및 제 2 AC 드리프트 튜브들에 전기적으로 결합되는 AC 전압 어셈블리로서, 상기 AC 전압 어셈블리는 상기 제 1 및 제 2 AC 드리프트 튜브들에 개별적으로 결합되는 적어도 2개의 AC 전압 소스들을 포함하는, 상기 AC 전압 어셈블리를 포함하는, 상기 집군기; 및
    상기 집군된 이온 빔을 수신하고 가속하기 위한 상기 집군기의 하류측에 배치되는, 복수의 가속 스테이지들을 포함하는 선형 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 AC 전압 어셈블리는,
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브로 제 1 주파수로 제 1 AC 전압 신호를 전달하도록 결합되는 제 1 AC 전압 소스; 및
    상기 제 2 AC 드리프트 튜브로 제 2 주파수로 제 2 AC 전압 신호를 전달하도록 결합되는 제 2 AC 전압 소스를 포함하며, 상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수의 정수 배수를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 40 MHz이며, 상기 제 2 주파수는 80 MHz인, 이온 주입 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 13.56 MHz이며, 상기 제 2 주파수는 27.12 MHz인, 이온 주입 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 집군기는,
    상기 제 1 접지된 드리프트 튜브;
    상기 제 1 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 상기 제 1 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배열되는 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브;
    상기 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 1 중간 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 상기 제 2 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 2 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 2 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브;
    상기 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 2 중간 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 3 AC 드리프트 튜브; 및
    상기 제 3 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 3 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 상기 제 2 접지된 드리프트 튜브를 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 AC 전압 어셈블리는 상기 제 3 AC 드리프트 튜브로 제 3 주파수로 제 3 AC 전압 신호를 전달하도록 결합되는 제 3 AC 전압 소스를 포함하며, 상기 제 3 주파수는, 상기 제 2 주파수와는 상이한 상기 제 1 주파수의 정수 배수를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수의 2배이며, 상기 제 3 주파수는 상기 제 1 주파수의 3배인, 이온 주입 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제 1 주파수는 적어도 13.56 MHz의 주파수를 포함하며, 상기 제 3 주파수는 120 MHz 이하의 주파수를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 주입 시스템은, 상기 이온 소스와 상기 집군기 사이에 배치되며, 상기 연속적인 이온 빔을 적어도 200 keV의 에너지까지 가속하도록 배열되는 DC 가속기 컬럼을 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
  11. 이온 주입 시스템으로서,
    연속적인 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스;
    상기 연속적인 이온 빔을 수신하고 집군된 이온 빔을 출력하기 위하여 상기 이온 소스의 하류측에 배치되는 집군기로서, 상기 집군기는,
    상기 연속적인 이온 빔을 수용하도록 배열되는 제 1 접지된 드리프트 튜브;
    상기 제 1 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 1 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 1 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배열되는 중간 접지된 드리프트 튜브;
    상기 중간 접지된 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 중간 접지된 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 2 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 2 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 접지된 드리프트 튜브를 포함하는, 상기 집군기; 및
    AC 전압 어셈블리로서,
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브로 제 1 주파수로 제 1 AC 전압 신호를 전달하도록 결합되는 제 1 AC 전압 소스; 및
    상기 제 2 AC 드리프트 튜브로 제 2 주파수로 제 2 AC 전압 신호를 전달하도록 결합되는 제 2 AC 전압 소스를 포함하며, 상기 제 2 주파수는 상기 제 1 주파수의 정수 배수를 포함하는, 상기 AC 전압 어셈블리; 및
    상기 집군된 이온 빔을 수신하고 가속하기 위해 상기 집군기의 하류측에 배치되는 선형 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  12. 이온 주입 시스템으로서,
    연속적인 이온 빔을 생성하기 위한 이온 소스;
    상기 연속적인 이온 빔을 수신하고 집군된 이온 빔을 출력하기 위하여 상기 이온 소스의 하류측에 배치되는 집군기로서, 상기 집군기는,
    제 1 주파수로 제 1 AC 신호를 수신하기 위한 제 1 AC 드리프트 튜브;
    상기 제 1 주파수의 정수 배수인 제 2 주파수로 제 2 AC 신호를 수신하기 위하여 상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 AC 드리프트 튜브; 및
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배열되며, 상기 제 1 AC 드리프트 튜브와 상기 제 2 AC 드리프트 튜브 사이에 배치되는 중간 접지된 드리프트 튜브를 포함하는, 상기 집군기; 및
    상기 집군된 이온 빔을 수신하고 가속하기 위해 상기 집군기의 하류측에 배치되는 선형 가속기를 포함하는, 이온 주입 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 이온 주입 시스템은,
    상기 제 1 AC 드리프트 튜브의 상류측에 배치되는 제 1 접지된 드리프트 튜브; 및
    상기 제 2 AC 드리프트 튜브에 인접하여 그리고 상기 제 2 AC 드리프트 튜브의 하류측에 배치되는 제 2 접지된 드리프트 튜브를 더 포함하는, 이온 주입 시스템.
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