KR20130098215A - 리본 이온 비임을 포커싱하고 리본 이온 비임 내의 원하는 이온 종류를 원치 않는 이온 종류로부터 분리하도록 작동하는 질량 분석 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2개의 상이한 고도의 바람직한 기능, 즉 대전 입자 비임의 포커싱과, 이동하는 이온 비임에서 원하지 않는 이온 종류로부터의 원하는 이온 종류의 질량 분리를 달성할 수 있는 장치 및 다중 유닛에 관한 것이다. 장치는 단순하게 조직되고 용이하게 제조되는 아티클이고, 통상적으로 입수가능한 장치보다 용이하게 설치, 정렬 및 작동될 수 있다.

Description

리본 이온 비임을 포커싱하고 리본 이온 비임 내의 원하는 이온 종류를 원치 않는 이온 종류로부터 분리하도록 작동하는 질량 분석 장치 및 시스템{MASS ANALYZER APPARATUS AND SYSTEMS OPERATIVE FOR FOCUSING RIBBON ION BEAMS AND FOR SEPARATING DESIRED ION SPECIES FROM UNWANTED ION SPECIES IN RIBBON ION BEAMS}

본 발명은 미국 특허 가출원 제61/465,303호로 2011년 3월 17일에 최초 출원되었다. 이 최초 출원의 우선일 및 우선권은 본원에서 명시적으로 청구된다.

본 발명은 이온 이식 장치 내의 리본형 이온 비임에 적용되는 자기 렌즈 및 원하는 이온을 질량에 따라 선택하고 또한 포커싱하기 위한 목적의 시스템에 관한 것이다. 그러한 시스템에서, 리본형 이온 비임 및 렌즈는 이상적으로는 평면 대칭성을 가지며, 전체 거리에 걸쳐 폭 치수가 비임 치수보다 몇 배 더 큰 일정한 단면을 갖는다.

기본적인 사실 및 전통적인 고찰

포커싱을 목적으로 자기 렌즈를 사용하는 것은 통상적이며 오랫동안 알려져 있었고, 오프셋 자기 4중극 렌즈를 사용하여 상이한 강성(예를 들어, Tandem Van de Graaf 가속기 내의 상이한 전하 상태)의 입자들을 분리하는 것은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다.

평판 디스플레이 및 태양 전지와 같은 큰 기판 내에 이온을 이식하는 것을 목적으로 질량 선택에 의해 큰 리본형 이온 비임을 정화하는 것은 바람직하다. 일 실시예에서 임의의 크기로 확장 및 연장될 수 있는 자기 장치의 바람직한 특성은 발생된 자기장이 이러한 연장된 치수 내에서 어떠한 성분도 갖지 않는다는 것이다. 또는, 장치가 이러한 길이 치수로 연장됨에 따라서, 필요한 자기장를 발생시키기 위해 필요한 암페어 회전 수가 증가하고, 자속 누설이 장치로부터 유동하는 경향이 있고, 장치의 크기와 무게가 불편할 만큼 크게 증가한다. 이러한 일들 중 어느 것 또는 모두가 발생하는 것은 바람직하지 않으며, 그럼에도 불구하고 이들 불리한 인자들은 반복적으로 나타나며 일상적으로 보상되어야 하는데, 이는 그러한 치수 확장된 자기장을 질량 분리를 위해 사용하는 것이 오늘날 일반적이라는 사실에 기인한다.

다른 한편으로, 이온 이동 궤적이 움직이는 평면에 놓인 자기장은 이 평면 내에 어떠한 유용한 굴절이나 분산도 직접 발생시키지 않는다. 그러한 이온 이동 경로의 포커싱은 대체로 필드 구배가 존재할 때 발생할 것이며, 중요한 예로 프린지 필드에서 포커싱이 이루어지는 이중극 자석의 경사진 입구 극과 출구 극 사이의 포커싱이 잘 알려진 경우이다[엔지(Enge)의 Septier and Sptier eds., Focusing of Charged Particles, Chapter 4.2, Vol 2p. 203, A.P. (1967)를 포함한 여러 간행물 및 에이.피. 밴포드(A.P. Banford)의 Transport of Charged Particle Beams (Spon, 1966)에 기술됨].

관련 종래 기술이 실제로 제안하는 것

1. 유리 렌즈에서의 색수차에 의한 유추에 의해[아이작 뉴턴 경(Sir Isaac Newton)의 Optics(4th Edition, London, 1730)에 기술됨], 이온 및 전자 렌즈에 있어서의 색수차가 확인되며, '자기 강성(magnetic rigidity)'으로 알려진 이온 성질의 함수인 렌즈의 포커싱 또는 굴절력 편차로서 정의되며, 자기 강성은 모멘텀 대 전하의 비율로 정의된다. 자기 렌즈에 있어서의 이온의 굴절은 자기 강성에 역비례한다.

종래 기술이 제시하는 것을 올바르게 이해하기 위한 도움으로서, 종래 기술에 관한 도 1a는 공지된 자기 4중극 렌즈를 도시하며, 종래 기술에 관한 도 1b는 이온 비임이 중심 오프셋 상태로 통과하는 3매의 렌즈들을 도시한다. 교번하는 포커싱 렌즈와 디포커싱 렌즈를 중심 오프셋 상태로 통과하는 상이한 색상의 비임들에서와 같이, 상이한 자기 강성을 가지는 이온 비임들은 상이한 방향으로 렌즈를 빠져나간다. 이 경우에, 원하는 비임은 굴절되지 않지만, 사실상 어떤 유용한 포커싱을 거친 것이다. 이스탐(Eastham), 조이(Joy) 및 타이트(Tait)는 동일한 모멘텀을 갖지만 상이한 전하를 갖는 이온들을 분리하기 위해 이러한 장치를 사용하는 것을 1973년에 보고하였다[Nuclear Instruments and Methods, Vol. 117, 1974, pp.495-500]. 따라서, 다른 이온 종류를 포함하는 비임으로부터 소정 질량의 이온을 선택하기 위해 오프셋 4중극 자기 렌즈를 사용하는 것(질량 선택)은 이러한 기술의 명백한 확장이다.

또한, 2002년에 아잇켄(Aitken)은 색수차를 가진 포커싱 장치를 리본형 이온 비임의 분리에 적용하는 것을 보고하였다(아잇켄, 이온 이식 기술에 관한 14회 국제 회의, 2002, IEEE, 페이지 448-451). 종래 기술에 관한 도 2a는 아잇켄 2002 장치가 이동하는 리본형 이온 비임을 먼저 한 방향으로 전단하고, 이어서 다른 방향으로 전단하는 것을 도시한다. 종래 기술에 관한 도 2b는 이러한 종류의 전단을 수반하는 강한 포커싱을 도시하며, 또한 원치않는 이온 종류를 차단하기 위해 중간 평면 상에 비임 정지부를 사용하는 것을 도시한다. 종래 기술에 관한 도 2c는 상이한 자기 강성을 가지는 이온 비임들의 이동 경로를 도시하며, 따라서 잠재적으로 유용한 질량 분리 특성을 보여준다.

2. 또한, 마이크로파 이온 공급원은 원통 대칭형 솔레노이드 자기장을 공통적으로 활용한다. 따라서, 예컨대 (1987년에 상업적으로 입수가능한) Eaton Nova NV200 산소 이온 임플란터의 경우, 원통 형상의 이온 비임을 포커싱하기 위해 추가적인 솔레노이드가 사용된다. 1990년에, 슬롯 형상의 구멍은 IBIS Technology Corp에서 이러한 이온 공급원의 후속 버전에 사용되었으며, 상업적으로 입수가능한 IBIS 1000 이온 임플란터에서 등장하였다. 다음으로, 면 대칭으로 솔레노이드의 개조(modification)에 의해 유발된 이온 비임의 전단의 양이 평가 및 정확하게 결정되었다.

이러한 효과는 Busch 정리(Busch's Theorem)에 의해 설명되는데, 이 정리는 2개의 연속 평면을 통과하는 대전된 입자 비임에 부여된 각 모멘텀(angular momentum)의 양이 기준 평면에서 비임의 단면을 통과하는 자속(magnetic flux)의 변화에 비례한다는 것이다. 그러나 이동하는 입자 비임이 원통 대칭이 아닌 경우, 이러한 각 모멘텀은 전단 효과로서 나타나게 된다. IBIS 1000 이온 임플란터에서의 전단은 상당한 것으로 밝혀졌지만, 문제의 이온 비임이 약 50 keV 초과의 에너지에서 사용된다면 용인될 수 있겠으나, 더 낮은 에너지에서는 부정적인 효과를 갖는다.

(원통 대칭을 갖는 것들과 반대로) 평면 대칭을 갖는 대응 자기 요소는 물론 이동하는 리본형 이온 비임으로, 이러한 전단, 편향된 궤적의 발생, 및 축방향으로 지향된 장을 통한 이온의 통로의 조합은 포커싱 특성을 변화시킨다. 포커싱은 (편향을 유발하는) 프린지 장(fringe field)을 통한 이온의 경로 및 솔레노이드 장과 이온의 후속 상호작용의 조합으로부터 유발된다. 따라서, 적절하게 설정되고 유지된 작동 조건하에서, 유용한 포커싱은 때때로 이동하는 리본형 이온 비임의 종국적인 전단으로서 나타날 수 있다.

여기서 또한 주목할 것은 (이미지 회전을 방지하기 위한 전자 렌즈에서의 공통적인 방법인) 솔레노이드 장의 사용이 이동하는 리본형 이온 비임의 전단을 줄이는데 잠재적으로 사용될 수 있다는 것이다. 1990-1991년의 기술적 관점에서, 이러한 잠재적인 능력은 리본형 이온 비임 어플리케이션에 대한 복잡성을 부가시킬 정도가 아닌 것으로 여겨졌다. 그러나 지난 20년간의 진보로 리본형 이온 비임 및 낮은 에너지의 사용이 아주 흔해졌으며(진정한 산업 표준이 아니라면), 기본적인 1990-1991에 걸친 시스템 개념의 다양한 개선은 많은 실용적 어플리케이션 및 두드러진 발전을 나타냈다.

오늘날의 진정한 기술적 수요 및 전망

오늘날의 기술에서, 더 많은 관심이 의도적으로 준비된 리본형 이온 비임 내의 원치 않거나 오염된 이온 종류로부터 원하는 이온 종류를 분리하는 방법을 개선하는 것으로 향하고 있으며, 동시에 이러한 리본형 비임 내의 원하는 축방향 차원 및 전류가 증가되고 있으며, (평판 디스플레이의 도핑 및 대면적 태양전지의 제조와 같은) 이러한 이온 임플란테이션 시스템의 새로운 어플리케이션이 활용되고 있다. 리본형 이온 비임을 정화(purifying)하기 위한 분석기 장치의 예들은 이동하는 이온 비임을 주 차원(major dimension)의 평면에서 휘게하는 종래의 분석 자석[예컨대, 미국특허 5,350,925 참조], 및 이동하는 이온 비임을 부 차원(minor dimension)의 평면에서 휘게하는 개조된 자석[예컨대, 미국특허 7,112,789 참조]을 포함한다.

A. 대형 리본형 이온 비임을 분석하는데 있어서의 최근의 개발들 중 일부는, 윈도우 형상의 요크(yoke) 내에 직교하여 배열된 두 쌍의 코일을 포함하는 Satoh 윈도우 프레임 자석 조립체[미국특허출원 공개공보 2008/0078956; 미국특허 7,528,390], 및 미국특허 7,326,941 및 7,902,527 및 이들의 계속출원에 개시된 White & Chen 리본 이온 비임 시스템을 포함하며, 상기 문헌들 모두는 미국특허 7,112,789에 설명된 자석의 형태를 사용한다.

미국특허 7,528,390에 설명된 바와 같이, Satoh 장치는 두 쌍의 코일을 포함하는 윈도우-프레임 자석을 사용하며, 각각의 코일은 2개의 직교 방향에서 편향을 제어하기 위해 개별적으로 여기될 수 있다. 이러한 장치가 실질적으로 대형인 리본 비임의 통과를 허용하도록 확대된다면, 요구되는 암페어 회전(ampere turn)의 개수는 비임의 주 이동 차원에 정비례하여 증가할 것이며, 이는 본 발명이 추구하는 목적과 반대되는 것이다. 따라서, Satoh 장치는 본원의 필요성을 충족하지도 못하고, 이를 충족할 수도 없다.

이와 유사하게, 미국특허 7,112,789에 설명된 자석의 형태를 사용하는 미국특허 7,326,941 및 7,902,527에서 White & Chen에 의해 설명된 장치는, 비임 사이즈의 증가가 암페어 회전의 비례적인 증가를 요구하는 동일한 단점을 가질 것이다. 파워 요구 및 장치 중량의 진정한 증가는 이보다 빠른 속도로 증가할 것인데, 이는 이러한 대형 장치로부터 발산되는 항상-증가하는 스트레이(stray) 자기장(들)을 포함하기 위해 스틸(steel)의 증가된 단면적이 요구되기 때문이다.

주된 자기장 요소가 이온 비임의 주 이동 차원으로 정렬되는 이러한 장치들 모두는 비임 차원에 비례하는 증가된 암페어 회전 및 증가된 스트레이 자기장(들)의 이중의 불리한 점을 나타낼 수밖에 없다.

(이온 비임의 균일성 및 방향을 제어하고 포커싱하기 위해 미국특허 7,105,839; 7,078,713; 및 8,035,087을 기초로 한) Chen & White 장치내에 사용되는 다른 자석 장치들은 더 크게 크기설정된 이온 비임을 위해 상방으로 확장될 수 있는데, 이는 장치들의 자기장이 비임의 주 이동 방향과 정렬되지 않기 때문이지만, 이들은 상이한 질량의 비임을 분리할 수도 없으며 주 차원을 따라 압도적인 원치 않는 디포커싱 효과를 제공하지 않고서는 리본 이온 비임에 대해 스케일가능한 1차원 포커싱 능력을 제공할 수도 없다. 이는 이들의 의도한 용도가 아니며, 이들의 구조적 및 기능적 능력을 넘어서는 것이다.

B. 본 기술분야의 다른 작업들은 이동하는 이온 비임의 방향 및 균일성을 제어 및 포커싱하기 위해 대안적인 방법들을 사용한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 이러한 다른 시도들 중 일부를 단순히 나타내고 도시하는 것으로서, 6중극(sextupole) 자석에 기반하여 이러한 장치를 제조하기 위한 하나의 개념적 모델을 제시한 Aitken 접근법[14th International Conference on Ion Implantation Technology, 2002, IEEE, pages 448-451]; 및 평행하게 함께 요크된 다중 솔레노이드 코일의 폐쇄 프레임의 구조적 설계 및 이에 대한 필요성을 도입한 Benveniste 등의 개념적 모델(미국특허출원 공개공보 2010/0116983)이 있다. 이러한 대안적인 모델들 각각에 대한 요약을 이하에서 제공한다.

(i) Aitken 접근법은 전술한 사항들을 의미 있게 설명하며, 종래기술 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 각각 도시된다. Aitken은, 비임을 비임이 온 곳으로 되돌려 보내지 않고 가능한 최대양을 통해 리본형 이온 비임에 전단을 가하면서(도 2a 참조), (위에서 언급된) Enge 및 Banford에 의해 설명된 바와 같이 성장 및 감쇠하는 횡단 자기장 내에서 이용가능한 포커싱을 활용하며, 자체적으로 비임을 퇴화시킬 수 있는 매우 갑작스러운 내부 포커스를 발생시킨다. 또한, Aitken 다이어그램은 비임의 협소한 차원에서 매우 과장된 스케일을 가지며, Aitken의 원본 도면은 약 1도의 전체적인 각도 범위로 비임을 수용하는 능력을 지시할 뿐이라는 것을 유의해야 한다.

이러한 사실을 기초로, 특히, Aitken 장치는 비임 주위를 완전히 선회하는 부분에서 작동하기 때문에, 더 많은 실제적인 비임 각도가 고려된다면 3차원 수차(3rd-order aberration)가 비임 전송을 심각하게 퇴화시킬 것이고, 진정한 실제적인 비임 각도는 통상적으로 비임 협소 차원에서 4도의 전체 각도이다. 따라서, Aitken 접근법은 암페어 회전의 요구를 증가시키지 않으면서 횡방향으로 임의선택적인 정도로 확장될 수 있지만, 이 모델 시스템은 그럼에도 불구하고 매우 작은 비임 차수 및 비임 각도 범위를 요구하는 방식으로 작동하며, 실질적으로 구성의 면에서 더 복잡하고 무거우며, 다중 코일 및 파워 서플라이를 필요로 한다.

(ii) Benveniste 등의 접근법 및 모델 시스템은 한 쌍의 솔레노이드 코일을 통해 이온 비임을 통과시키며, 비임 내에 자속을 집중시키기 위해 스틸 요크가 사용된다. 솔레노이드 코일들은 자체적으로 원형이 아니고, 오히려 솔레노이드 코일들이 리본 비임의 형상에 부합하도록 연신된다는 점을 주목할 만하다.

솔레노이드 코일들은 전자 비임을 포커싱하기 위해 오랫동안 사용되었으며, 음극선관 및 전자현미경에서 잘 알려져 있다. 또한, 비임을 회전시키지 않고 포커싱을 달성하기 위해 대향하는 한 쌍의 솔레노이드를 사용하는 것이 잘 알려져 있으며, 사실상 이러한 페어링은 고해상도를 달성하는데 중요한 것이다. 높은 종횡비의 리본형 이온 비임에 솔레노이드 코일들을 적용하는 것은 최근의 사건이며, IBIS 이온 임플란터의 맥락에서 앞서 설명한 바와 같이, 비임의 회전은 전단 효과로 변화된다. 따라서, 변함없이, Busch 정리에 따라, 솔레노이드 장은 비임에 각도 모멘텀을 부여해야 하며, 그에 따라, Benveniste 등의 접근법 및 모델 시스템은 이동하는 이온 비임에 대한 비회전 상태를 복원하기 위해 대향된 솔레노이드의 쌍을 사용한다.

Benveniste 등의 발명은 여기서 앞서 식별된 비임의 다수의 필요성을 해결하지만, 개시된 접근법 및 모델 시스템은 많은 핵심 특징들의 관점에서 실질적으로 상이하며, 진정한 요구 또는 특정 요구사항을 해결하지도 못한다. 이러한 차이점들 및 결점들 중 가장 두드러진 것들은 다음과 같다.

(a) Benveniste 등의 접근법은 이온 비임이 탠덤(tandem)으로 보유된 솔레노이드 코일의 정렬된 쌍 내의 각각의 솔레노이드 코일의 개구의 공간적 체적을 통과할 것이 요구된다. 구체적으로, Benveniste 등은 "... 각각의 솔레노이드 코일은 이온 비임이 이동하는 공간을 규정하는 레이스트랙 형상을 갖는다..."고 한다.

(b) Benveniste 등의 장치에서 솔레노이드 쌍의 각각은 개별적으로 이온 비임을 완전히 둘러싸야 하고, 진공 챔버는 이동하는 이온 비임을 포함 및 수용해야 하기 때문에, Benveniste 등의 장치의 해체는 진공 시스템 자체가 수반하는 해체 없이는 불가능하다.

(c) Benveniste 등의 시스템은 이온 비임의 균일성을 조절하는 장치와 같은 다른 장치들과 쉽게 결합될 수 없는데, 이는 짝을 이룬 솔레노이드 코일 구성으로 인해 이온 비임이 이동하는 동일 체적에 대한 직교 장을 제공하기 위한 다른 다중-극 권선의 도입이 불가능하기 때문이다.

(d) Benveniste 등의 시스템은 영구 자석을 사용하는 자기장을 포함하지 않으며, 이러한 자기장을 발생시키는 것을 허용하지도 않는다.

결과적으로, 오늘날의 기술에서, 이동하는 리본형 이온 비임으로부터 다양한 원치 않는 이온 종류를 분리하기 위한 효과적인 수단을 찾는 것이 매우 소망되며, 이때 주 차원에서 비임을 위한 이동 경로의 크기는 임의선택적인 정도로 확장될 수 있고, 여기서는 이러한 주 차원과 정렬된 자기장을 인가할 필요가 없다. 이로 인해, 해체 및 서비스의 간이함, (언급된 White 및 Chen 특허에 설명된 바와 같은) 포커싱 및 질량 선택 기능과 균일성 튜닝의 통합 능력, 및 파워 요구사항을 줄이기 위해 영구 자석을 사용하는 능력이 추가될 수 있다.

본 발명은 다수의 양태를 갖는다.

제1 양태는 장치 부근 및 장치를 넘어 횡방향으로 통과하게 될 이동 대전 입자 비임을 포커싱하는데 적합한 장치이며, 상기 비임의 방향은 데카르트 좌표 시스템에서 실질적으로 z-방향이며, 상기 장치는

노출된 면이 복수의 개별적이고 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 복수의 게재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널을 제공하는, 강자성 재료로 형성된 실질적으로 E-형상 블록 장착부로서, 상기 E-형상 블록 장착부는

(α) 근거리에서 장치를 통과하게 될 이동 대전 입자 비임의 x-축 크기보다 큰 거리로 x-축 방향으로 차원적으로 연장하고,

(β) 상기 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 상기 게재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널은 대전 입자 비임에 대한 이동 방향에 수직으로 놓인, E-형상 블록 장착부와,

상기 E-형상 블록 장착부의 구조 안으로 횡방향으로 끼워지고, 상기 E-형상 블록 장착부의 x-z 평면 내에 배치되는 자기장 발생 수단으로서, 상기 수단에 의해 발생된 자기장은 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 면으로부터 y-방향으로 수직하게 연장되는, 자기장 발생 수단을 포함한다.

제2 양태는 조립체를 횡방향으로 통과하게 될 이동 대전 입자 비임을 포커싱하기 위한 조립체이며, 상기 조립체는

고정된 갭 거리에서 서로로부터 공간적으로 공간적으로 이격되어 세팅되고 반대로 배치 및 정렬된 미리형성된 포커싱 아티클(article)의 매칭된 쌍으로써, 이동 대전 입자 비임은 반대로 배치된 아티클의 매칭된 쌍 사이의 상기 고정 갭 거리의 공간 체적을 통해 z-방향으로 횡방향으로 통과하게 되며,

상기 매칭된 쌍의 상기 아티클 각각은

강자성 재료로 형성된 실질적으로 E-형상 블록 장착부로서, 노출된 블록 면이 적어도 3개의 개별적이고 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 적어도 2개의 게재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널을 제공하고, 상기 E-형상 블록 장착부는

(α) E-형상 블록 장착부를 넘어 z-x 평면 부근에서 통과하게 될 이동 대전 입자 비임의 x-축 크기보다 큰 거리로 x-축 방향으로 차원적으로 연장하고,

(β) 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 상기 2개의 게재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널은 대전 입자 비임의 이동 방향에 수직으로 놓인, E-형상 블록 장착부와,

상기 E-형상 블록 장착부의 구조 안으로 횡방향으로 끼워지고, 상기 E-형상 블록 장착부의 x-z 평면 내에 배치되는 자기장 발생 수단으로서, 상기 수단에 의해 발생된 자기장은 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 면으로부터 수직하게 연장되는, 자기장 발생 수단을 포함하는, 미리형성된 포커싱 아티클의 매칭된 쌍과,

상기 반대로 배치된 아티클 쌍에서 각각의 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면 사이에 존재하는 상기 고정 갭 거리를 횡방향으로 통과하도록 이동 대전 입자 비임을 지향시키는 수단을 포함한다.

본 발명은 첨부 도면을 참조로 더 쉽게 그리고 더 잘 이해될 것이다.
종래기술 도 1a는 종래 알려진 자기 4중극 렌즈(magnetic quadrupole lens)를 도시한다.
종래기술 도 1b는 다중 종류를 포함하는 이온 비임이 중심을 벗어나 통과되는 이러한 렌즈의 삼중선(triplet)을 도시한다.
종래기술 도 2a는 이동하는 리본형 이온 비임을 한 방향으로 먼저 전단시킨 다음 다른 방향으로 전단시키는 Aitken 2002 장치를 도시한다.
종래기술 도 2b는 종래기술 도 2a에 도시된 전단 효과를 수반하는 강한 포커싱의 측면도를 도시한다.
종래기술 도 2c는 상이한 자기 강성을 갖는 이온 비임의 이동 경로를 도시한다.
도 3은 본 발명을 포함하는 장치 버전 1로서 식별되는 아티클을 도시한다.
도 4a는 E-블록-코일 조합체, 경계판, 비임 정지부(stop) 및 리졸빙 어퍼쳐(resolving aperture)를 포함하는 장치 버전 2로서 식별되는 비임 질량 분석기 조립체를 도시한다.
도 4b는 x-편향이 정확하게 0으로 조절될 수 있는 부가된 코일 쌍을 구비한 도 4a와 동일한 장치를 도시한다.
도 5는 대면하는 E-블록-코일 아티클의 쌍, 비임 정지부, 및 리졸빙 어퍼쳐를 포함하는 장치 버전 3으로서 식별되는 비임 질량 분석기 조립체를 도시한다.
도 6a는 장치 버전 4의 단면 내의 자속 라인을 도시한다.
도 6b는 영구 자석을 사용하고 코일이 없는 버전 5의 단면 내의 자속 라인을 도시한다.
도 7a는 장치 버전 4 실시예를 통과하는 비임 단면의 사시도이다.
도 7b는 접근하는 이온 궤적의 다발의 z 축을 직접 따르는 정사영도(orthographic view)이며, 장 내에서 편향의 투사를 도시한다.
도 8은 z-축을 따르는 자기장 요소의 z-성분의 선도를 도시한다.
도 9a는 포커싱 장치로서 장치 버전 3 실시예를 단면으로 도시한다.
도 9b는 질량 선택 장치로서 장치 버전 4 실시예를 도시한다.
도 10은 질량 분해능(mass resolution)을 도시하는 3개의 모멘텀에 대한 궤적들의 수치 모델이다.
도 11은 장치 버전 6 실시예에서 각각의 E-블록-코일 유닛 주위에 직각으로 감긴 복수의 코일을 도시한다.

본 발명은 (i) 대전 입자 비임의 포커싱, 및 (ii) 이동하는 입자 비임에서 원치 않는 이온 종류로부터의 원하는 이온 종류의 질량 분리, 2가지의 상이하고 고도로 바람직한 기능을 달성할 수 있는 장치 및 다중-유닛 조립체에 관한 것이다. 이 장치는 단순하게 조직되고 쉽게 제조된 아티클이며, 신뢰도 있는 경량이며 제조 비용이 덜 비싸며, 종래 입수가능한 장치들에 비해 설치, 정렬, 서비스, 및 작동하기 쉽다. 또한, 본 발명의 포커싱 및 질량 분리 능력을 직교 코일의 부가에 의해 비임 균일성의 제어와 같은 추가적인 자기적 기능과 통합하기 쉽다.

일부 특정 상업적 어플리케이션에서, 이온 임플란터의 작동 시스템은 특정 기타 이온 오염물은 물론 희망하지 않는 P⁺⁺ 및 P₂ ⁺ 이온으로부터 P⁺를 분리하기 위해 50 keV까지 필요하며, 종종 희망하지 않는 B⁺⁺, F⁺, 및 F⁺⁺ 이온으로부터 B⁺를 또한 분리해야 한다는 사실에 주목해야 한다. 이러한 최종 작동 요구사항은 종종 임의의 이온 임플란테이션 시스템에 대해 가장 절박한 것이다. 결과적으로, 고전류 평면 이온 공급원로의 이러한 독자적인 질량 분석기 장치의 효과적인 커플링은, 특히 비임 균일성을 제어하는 추가적인 기능이 동일 공간 내에 제공된다면, 평판 디스플레이 및 태양전지와 같은 대형 기판의 이온 임플란테이션에 대한 더 많은 혜택 및 주된 장점을 가질 것이다.

장치 및 장치의 작동 환경

본 발명의 각 실시예 및 대안적 형태 내에 존재하는 예측되지 않는 특징들 및 현저한 차이점들은 리본형 이온 비임이 z-축 방향을 따라 진공 챔버(또는 다른 진공 환경)에서 이동하는 기존 이온 임플란테이션 시스템을 고려함으로써 가장 잘 이해될 것이다.

이러한 종래의 작동 환경에서, 리본형 이온 비임의 주 횡단 차원은 x-축 방향에 있으며, 부 차원은 y-축 방향에 있다. 또한, 이동하는 리본형 대전 입자 이온 비임은 다양한 원치 않는 이온 불순물은 물론 원하는 에너지로 가속된 적어도 하나의 원하는 이온 종류를 포함한다.

또한, 이러한 종래의 작동 시스템의 경우, 이동하는 이온 비임을 포커싱하기 위해, 그리고/또는 대전 입자 비임 내의 원치 않는 이온 종류로부터 원하는 이온 종류를 분리하기 위해, 적어도 하나의 구조 장치 또는 다중-유닛 조립체가 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 원하는 목적들 중 하나 또는 두 가지 모두를 달성하기 위해, 본 발명을 포함하는 실질적인 E-블록-코일 장치의 하나의 전형적인 실시예가 도 3에 도시된다.

E-블록-코일 조합 유닛

도 3에 도시된 바와 같이, (오직 종래의 전력 공급원만을 필요로 하는) 제조된 완전한 구조적 아티클은 실질적으로 E-형상 블록 장착부(1) 및 장타원형 폐쇄 코일(2)을 포함하는 E-블록-코일 조합체(10)이다. 이러한 구조 요소들의 각각은 이하에서 매우 상세하게 설명된다.

그러나, 우선적으로, 여기서는 통합형(unitary) E-블록-코일 조합체에 의해 제공되는 더 많은 특이한 작동 속성들 및 현저한 특징들 중 일부를 식별하는 것이 유용한 것으로 믿어진다.

(α) 작동 유닛은 솔레노이드 코일 장치가 아니며, 즉 작동 유닛은 자기장을 발생시키고 인가하기 것이 바람직한 체적을 둘러싸지 않는다. E-블록-코일 조합체의 어떠한 실시예 또는 형태에도 솔레노이드 코일은 없다.

(β) 통합형 E-블록-코일 조합체는 제한된 폭의 직교방향으로 연장하고 조절가능한 자기장 노출된 면을 제공하며, 직교방향으로 연장하는 제한된 폭의 자기장은 공간적으로 교번하는 극성의 일련의 연속 자기장들의 총체적인 결과물이고, 직교방향으로 연장하는 극성이 교번하는 연속 자기장은 코일 내의 전류를 변화시킴으로써 윌(will)에서 교번될 것이다.

(δ) 포커싱 또는 이온 분리를 경험하는 이동 대전 입자 비임은 E-블록-코일 조합체의 임의의 실시예 또는 구성에서 존재할 수 있는 임의의 코일 구조물 또는 임의의 다중-코일 배열체를 어느 순간에도 관통하지 않는다. 반대로, 대전 입자 비임의 이동 경로는 항상 E-블록-코일 조합체의 노출된 면을 가로지르고 E-블록 조합체의 노출된 면, 따라서 그 전체 외부 표면에 인접하고 평행하지만 명백하게 분리된 한 쌍의 z-x 평면에 접하여 위치해 있다.

E-블록 장착부

구체적으로, E-블록 장착부(1)는,

(ⅰ) 그 전방 측면으로서 노출된 블록면과 그 후방 측면으로서 평탄형 외부 표면을 갖는 소정의 크기 및 치수의 개별 아티클이고,

(ⅱ) 강자성 재료, 즉, 철 또는 임의의 다른 자성 금속 또는 금속성 합금 블랜딩으로 만들어지고,

(ⅲ) 그 정면의 시각적 모습은 실질적으로 'E'자를 닮은 단면 형태 및 노출된 블록면을 갖는 것으로서, 여기서 2개의 오목형 공간 채널(12, 14)이 평행하게 놓이고, 서로에 대해 또한 평행하게 놓인 3개의 상이하고 공간적으로 분리된 바아-형 부재 또는 상승된 릿지(13, 15, 17)에 의해 그들의 체적 및 채널 치수가 한정되고,

(ⅳ) E-블록 장착부의 노출된 면 (및 외부 표면)에 걸쳐 시트로서 대체로 z-방향으로 통과하는 이동 대전 입자 비임의 x-치수 범위보다 큰 선형 거리에 걸쳐 x-축 방향으로 연장되는 미리 성형된 구조물이다.

장타원형 폐쇄 코일

또한 도 3에 도시된 바와 같이, 장타원 코일(2)은 연속적인 길이의 전도성 재료로부터 만들어진 단일의, 실질적으로 레이스트랙형의 권선이며, 각각이 180도에 걸쳐서 굴곡되는 2개의 만곡 단부에 더하여, 2개의 평행한 직선 길이 구역으로서, 그 각각이 대전 입자 비임의 x-축 치수 보다 큰 크기를 갖는 직선 길이 구역을 포함하는 폐쇄 루프형 엔티티(entity)로서 나타난다.

본원에서 채용한 바와 같이, 단어 "장타원"은 원하는 형상의 폐쇄 코일(2)을 정확하게 나타내고 적절하게 기술하며, 본원에서 사용된 바와 같은 용어 "장타원"은 그 고정된 주연부가 [도 3의 각각의 선형 측부 섹션(6a, 6b)과 같은] 평행한 직선 측부 및 [도 3의 각각의 만곡된 단부 섹션(7a, 7b)와 같은] 실질적으로 반원 단부를 갖는 폐쇄형 기하학적 구조로서 형성된다. 따라서, 일반적인 형태는 2개의 반원이 그들의 2개의 단부 지점(end-point)에 접하는 평행한 선에 의해 연결되는 형태로 형성된 고정된 구조이다. 이러한 구조의 중요한 특징은 장타원형 구조물의 주연부가 명백하게 평행한 측부 섹션을 갖는다는 것이다. 그러나, 단부 섹션이 그와 같이 정확히 반원이어야만 하는 엄격한 요구 조건은 없다. 따라서, 예를 들어, 장타원 구조의 2개의 코일 단부는 각각이 2개의 4분의 1 원호 및 짧은 직선 섹션으로 형성될 수 있거나, 또는 폐쇄 루프형 주연부를 형성하기 위해 180도에 걸쳐 굴곡되고 2개의 직선 평행 측부 섹션과 구조적으로 결합하는 구조와 위상적으로 유사한 임의의 다른 구조일 수 있다.

또한, 폐쇄 코일의 특정 형상이 개별 제조 기준 및/또는 개별 사용 환경을 충족시키기 위해 특정 구조로 다소 변경될 것이라 예상되고 의도되는 것임을 인식하고 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 주된 목표는 이온 비임의 범위에 걸쳐, x-좌표의 함수로서 자기장 강도 또는 형상의 임의의 현저한 편차의 제거이다.

또한 장타원형 폐쇄 코일(2)의 적절한 위치 설정에 관해서도 관심이 주목되는데, 장타원형 폐쇄 코일(2)은 소정의 y-좌표에서 E-블록 장착부의 x-z 평면을 항상 변함없이 가로지르고 x-z 평면에 놓이므로, 이에 따라 그 배치가 특정하다. 적절히 위치 설정된 폐쇄 코일(2)은 가장 중심의 상승된 릿지(15)에 인접하여 그 주위에 횡방향으로 끼워지고, E-블록 장착부(1) 내의 한 쌍의 평행한 오목형 체널(12, 14)에 의해 제공된 공간 체적 내에서 전체적으로 놓인다. 그와 같이 E-블록 장착부의 z-x 평면에서 가장 중심의 상승된 릿지(15) 주위에 놓인 폐쇄 코일(2)의 횡방향 끼워맞춤 및 배치는 두 개의 오목형 채널(12, 14)의 공간 체적을 동시에 점유하고, 폐쇄 코일은 그와 같은 횡방향 위치 설정으로 2개의 최외측 바아형 부재 또는 상승된 릿지(13, 17) 각각에 의해 z-x 평면에서 평행하게 지지된다.

또한, 도 3에 의해 도시된 특정 실시예에 있어서, 횡방향으로 배치된 폐쇄 코일(2)은 E-블록 장착부 내의 한 쌍의 평행한 오목형 채널(12, 14)에 의해 제공된 이용 가능한 채널 공간 및 체적의 전체를 완전히 점유한다. 그러나, 이러한 완전 점유가 항상 적용되는 것은 아니고, 어떤 형태예에 있어서는, 하나 보다 많은 장타원형 폐쇄 코일이 도 4b에 도시된 대체 실시예에 의해 나타낸 바와 같이, E-블록 장착부 내의 한 쌍의 평행한 오목형 채널(12, 14)에 의해 제공된 이용 가능한 채널 공간 및 체적을 동시에 점유할 수 있다.

직교하여 연장하는 자기장

가변 전류가 장타원형 코일(2)을 통해 임의의 종래의 제어가능한 수단에 의해 E-블록-코일 조합체(10)에 제공되어 통과함으로써, 직교하여 연장하는 자기장이 발생하게 되는데, 이것은 코일의 전도성 재료를 둘러싸는 것뿐 아니라, 3개의 상이하고 공간적으로 분리된 상승된 릿지(13, 15, 17)의 강자성 합성물에 의해 형태가 갖추어지고, 폐쇄 코일(2)의 직선 섹션의 2개의 노출된 표면에 대체로 가까운 공간 내에 집중되게 된다. E-블록 장착부(1) 내의 강자성 구조물의 상이한 부분들은 전류 방향에 따라, "북" 및 "남" 자극이 된다.

따라서, 일 전류 방향에 있어서, 가장 중심의 상승된 릿지(15)의 노출된 면은 남극(S)으로서 자화되는 반면, 최외측에 위치된 상승된 릿지(13, 17) 각각은 북극(N)으로서 자화된다. 이러한 방식으로, E-블록-코일 조합체의 노출된 면의 전체는 별개의 자극의 "N-S-N" 직렬 연결을 나타낸다. 그러나, 다른 방향으로 전류를 흘리게 되면, 이러한 극들은 반대가 되고 E-블록-코일 조합체의 노출된 면 전체는 반전된 자극인 "S-N-S" 직렬 연결을 나타낸다.

적당한 전류의 전기 에너지의 유동을 고려해볼 때, 3개의 인접 위치되어 여자된(energized) 자극의 각각은 제한된 폭의 직교 연장하는 자기장을 독립적으로 발생시키고, 제한된 폭의 인접하여 연장하는 복수의 자기장은 교번 극성의 인접 자기장을 집합적으로 형성하고, 교번 극성의 직교 연장하는 인접 자기장의 강도는 전류를 변경시키는 것에 의해 자유자재로 변경될 수 있어, 요구에 따라 E-블록-코일 조합체의 노출된 면에 걸쳐 조정 가능하고 제어 가능한 자기장을 만들어 낼 수 있다.

선택적 대안 구조 형태

도 3에 도시된 바와 같은 폐쇄 코일(2)의 사용에 대한 선택적 대안 및 대체물로서, 영구 자석 또는 복수의 영구 자석들이 구조물을 형성하는 강자성 금속 또는 합금 재료의 부분을 대체하는 것에 의해 일반적으로 E-블록 장착부 구조물 내에 도입될 수 있다.

그러한 대체 형태에 있어서, 가장 간단한 방법 중 하나는 중간에서 상승된 릿지 또는 중심에 위치된 E-블록 장착부의 바아-형 부재를 영구 자석 재료로 형성된 유사한 형상의 상승된 릿지로 교체하는 것으로, 영구 자석 재료는 그 자화 방향이 E-블록 구조 설계의 y-축을 따라 놓일 것이다. 따라서, 도 3에 도시한 폐쇄 코일 형태와 마찬가지로, 영구 자석(또는 복수의 영구 자석들)은 E-블록 장착부 구조물 내에 횡방향으로 통합되고, 2개의 최외측에 위치된 바아-형 부재, 즉 [도 3에 있어서] 상승된 릿지(13, 17) 각각에 대하여 z-x 평면 내에 유사하게 횡방향으로 위치 설정되어 놓인다.

등가의 N-S-N 또는 S-N-S 극 자화를 만들어내는 그러한 영구 자석 대체물을 사용할 경우 넓은 범위 및 종류의 상이한 횡방향 배치 및 배향이 존재함을 또한 알 수 있을 것이다.

암페어의 법칙은 ∮H.dl=nI를 나타내고, 여기서 자기장 "H"의 적분이 전류 "I"를 운반하는 n 전도체를 둘러싸는 임의의 폐쇄 경로에 대해 행해진다. 자기 프로브가 자기장을 매핑하고 프로브가 본 발명의 자기장에 걸쳐 z-축으로 움직이는 비임 이온의 이동 경로를 따라 통과하고 이온의 전체 경로를 통과하는 것을 고려하면, 프로브는 장치의 자기장 외부에서 루프형 경로를 완성하고 시작점으로 복귀한다. 이러한 개념적인 방법을 사용하여, 비임의 경로를 따라 자기장이 통합되는 경우, 통합된 자기장이 제로의 값인 것이 가장 바람직한데, 이는 장치를 관통하는 이온 비임의 네트 전단 변형(net shearing)이 제로임을 의미하기 때문이다. 부슈(Busch)의 이론은 이온 비임에 부여된 표준 각운동량을 축 자기장의 변형과 관련시킨다. 따라서, 장치의 작동 구역을 관통하여 축 자기장이 제로로 통합되는 것을 보장함으로써, 비임의 제로 네트 전단 변형을 또한 보장한다. 이에 따라, 어떠한 전류도 비임을 둘러싸도록 허용되지 않는 경우, 장치는 이온 비임에 대해 제로 네트 전단 변형, 제로 네트 각 운동량을 제공할 것이다.

그것은 E-블록 장착부에 의해 형성된 z-축을 따른 통합된 자기장이 제로의 값이 되면 이는 ∫H.dl=0인 요건을 충족시킬 것이기 때문에, 이러한 대체 구조 형태에 있어서 영구 자석의 사용이 가능하다는 결론으로 이어진다. 대체로, 솔레노이드를 사용할 경우 축을 따라 취해진 ∮H.dl=nI이 일관적으로 논-제로 값이기 때문에, 솔레노이드로부터의 자기장과 비교하여 영구 자석으로 등가의 자기장을 생성하는 것은 불가능하다. 그러나, 대조적으로, 본 발명에 있어서, 비임의 이동 축을 따른 통합 자기장은 항상 제로의 값이다. 어느 경우에 있어서, z-축을 따른 국소 자기장이 존재하지만, 본 발명에서는, 이러한 국소 자기장이 대칭적이고 완벽하게 z-축을 따라 통과하여 제로로 통합된다.

결과적으로, E-블록 장착부의 z-x 평면에 횡방향으로 끼워맞춤되어 z-x 평면에 놓이는 장타원형 폐쇄 코일의 배치 및 사용에 더하여, 대체 구조 형태에 있어서 영구 자석의 통상적이지 않은 존재 및 사용은 다른 형태의 자기장 발생 수단을 구성하는데, 이는 횡방향으로 위치되어 분석 장치의 수평면에 횡방향으로 배치된 전체 구조물의 통합된 부분이 된다.

Ⅲ. 본 발명의 다양한 대체 실시예

본 발명은 다양한 상이한 조립체 내에서 준비되고, 여러 상이한 실시예에서 구조화될 수 있다. 이러한 다양하고 여러 실시예들은 아래에 기술한 바와 같이 장치 버전 1 내지 6 각각에 의해 나타낼 수 있다.

장치 버전 1

상기에 상세히 기술하고 도 3에 나타낸 바와 같이, E-블록 장착부(1) 및 폐쇄 장타원형 코일(2)을 포함하는 E-블록-코일 조합체(10)는 본 발명의 장치 버전 1이다. 특히, 본 실시예는 본 발명의 가장 기본적인 유닛과 가장 단순한 작동 질량 분석 유닛을 구성한다. 따라서 실제로, 본 질량 분석 장치의 모든 다른 버전 및 실시예들은 장치 버전 1의 필수적인 특징 및 상술된 구조를 이용하고 그것을 기반으로 한다.

또한, 본 발명의 장치 버전 1의 적절하게 의도된 사용과 관련하여, 상술한 바와 같은 E-블록-코일 조합체 구성물(10)이 이를 통과하는 리본형 이온 비임(5)의 이동 경로에 평행하고 인접한 z-x 평면 내에 주의하여 의도적으로 항상 배치되는 것을 인식하고 이해하는 것이 중요하다. 따라서, E-블록-코일 조합체(10)는 어느 때든 이동 리본형 이온 비임을 완벽하게 둘러싸지 않고, 따라서 이동 리본형 이온 비임을 완전히 둘러쌀 수 없다.

따라서, (공지된 크기의) 전류가 E-블록-코일 조합체 구성물(10)을 관통할 경우, 이온 비임의 이동 경로는 비임의 이온이 자기장의 구역을 횡방향으로 관통하여 E-블록-코일 조합체 구성물(10)의 자극으로부터 연장되도록 제한되고 제어된다. E-블록-코일 조합체의 직선 코일 섹션은 소정의 y-좌표에서 z-x 평면 내에 놓이고, 비임의 z-축은 그 이동 경로의 전체 거리에 걸쳐 방해받지 않는다. 이러한 작동 구성은 도 3에 나타낸 이동 화살표에 의해 명백하게 나타난다.

따라서, 전류가 (하나의 극성을 갖는) 폐쇄 장타원형 코일 내에서 특정 방향으로 흐르면, 이동 이온 비임은 장치에 접근하면서 +x 방향으로 작은 각도로 편향되고, 장치의 중간을 지나가면서 -x 방향으로 편향되고, 질량 분석 장치를 빠져나가면서 +x 방향으로 다시 편향될 것이다.

x 방향으로의 네트 편향은 작고, 합이 제로가 되도록 배열될 수 있다. 그러나, 코일로부터 y 방향으로의 네트 편향이 존재하며, 이러한 편향은 코일로부터 소정의 비임 궤적 거리가 커질수록 약해짐이 밝혀졌다. 이러한 편향의 원인이 아래에 기술된다.

y 방향으로의 편향은 x 방향으로의 편향보다 작다. y 방향 편향의 크기는 코일 내의 전류의 제곱에 비례한다. 그것은 항상 코일로부터 이격 지향되고, 그 결과, x 편향과는 달리, 비임이 장치를 통과함에 따라 합이 제로가 되지 않고 계속 증가한다. 이러한 이유로, 비임은 y 방향으로만 포커싱되고, x 방향으로는 포커싱이 전혀 존재하지 않는다. 또한 x 방향으로의 네트 편향이 존재하지 않도록 배치될 수 있다. 상세한 내용이 아래에 기술된다.

편향의 양은, 편향이 자기장에 의해 유발되기 때문에, 이온의 전하에 비례한고, 비임 내의 이온의 에너지 및 질량의 제곱근에 반비례한다. 그러나, 포커싱 효과는 이온에 대한 힘 및 편향의 곱에 비례하고, 따라서 질량에 반비례한다.

이러한 원리적 및 구조적 근거에 기초하여, 정지부를 원하는 비임 경로에 인접하여 배치시킬 경우, 하나 이상의 원치않는 이온 종류(오염물)가 원하는 또는 요구되는 이온 종류로부터 유효하게 분리될 수 있다. 그러나, 이러한 사용 환경에서, 폐쇄 코일 및 강자성 E-블록 장착부로부터 먼 거리를 진행하는 이온의 경로를 차단하는 것은, 여기서 자기장이 약해지고 y 편향 및 포커싱이 결과적으로 작아지므로 특히 중요하다.

장치 버전 2

평탄형 강자성 판(3)과 결합하여 상술한 기본 장치를 이용하는 작동 조립체의 제2 실시예가 도 4a에 도시된다. 강자성 판(3)이 y=0인 좌표에서 z-x 평면 내에 놓여, 유사하게 z-x 평면을 형성한다.

본 실시예에서, y=y₁인 좌표에 위치되는 E-블록-코일 조합체의 노출된 면으로부터 평탄형 강자성 판(3)의 노출된 면을 분리시키는 소정의 크기의 고정된 갭 거리가 존재하고, 이동 대전 입자 비임은 이 고정된 갭 거리의 길이에 걸쳐 진행하고 그 내부에 존재하는 확장된 자기장을 관통한다.

(E-블록-코일 조합체에 의해 발생된) 확장된 자기장은 그 내부에서 노출된 표면 또는 면에 직각으로 강자성 판(3) 상에서 유효하게 종결된다. y=0인 평면에 있어서, 필수적으로 x 또는 z 방향으로의 자기장 성분은 존재하지 않는다. 그러나, 논-제로 y 좌표에서는, 이러한 성분이 존재한다.

앞서와 같이, 이동 이온 비임은 장치에 접근하면서 +x 방향으로 작은 각도로 편향되고, 장치의 중간을 지나가면서 -x 방향으로 편향되고, 질량 분석 장치를 빠져 나가면서 +x 방향으로 다시 편향될 것이다(또는 그 반대). 상술한 y 편향은 x 방향으로의 이온 운동의 성분 v_x으로부터 발생하여 유도된다.

또한, 자기장이 변경되는 구역에서는, y 좌표에 비례하는 z 방향의 자기장 성분 Bz가 존재하는데, 자기장의 변경은 자기장이 z 좌표에 의해 바뀌기 때문에 발생한다. 이온 전하에 의해 승산된 v_x와 Bz의 곱은 y 편향을 만들어내는 (음의)y 방향으로 힘을 제공한다.

강자성 판(3) 및 E-블록 장착부(1)의 노출된 면에 의해 경계가 이루어진 고정된 갭 0<y<y₁에서, 이온의 y 편향은 강자성 판으로부터 그들의 거리에 비례한다. 도 4a는 비임 정지부(4) 및 개구를 포함하는 배리어(8)의 배치를 도시하며, 이들은 특정 이온 종류만을 전달하도록 위치된다.

또한, 장치 버전 2는 도 4b에 도시한 바와 같이, 작은 단면적 크기의 하나 이상의 추가적인 장타원형 폐쇄 코일(22)의 선택적 포함이 E-블록 장착부의 2개의 최외측 바아-형 부재 또는 상승된 릿지(13, 17) 각각의 주위에 z-x 평면 내에서 횡방향으로 위치되는 것을 구조적으로 허용한다. 여기서 도시된 바와 같이, 추가적인 장타원형 폐쇄 코일(22)의 각각은 장타원형 폐쇄 코일(2)의 연장되는 측면과 함께 E-블록 장착부 내의 한 쌍의 평행한 오목형 채널(12, 14)에 의해 제공되는 이용 가능한 채널 공간 및 체적 내에서 횡방향으로 배치되어 공유한다. 따라서, 이러한 다중 폐쇄 코일 배치에 있어서, 횡방향으로 배치된 중간 폐쇄 코일(2) 및 횡방향으로 위치되고 최외측 위치된 추가적인 폐쇄 코일(22)의 각각은 E-블록 장착부(1) 내의 평행한 오목형 채널(12, 14)의 이용 가능한 채널 공간 및 체적을 동시에 점유한다.

횡방향으로 배치되고 최외측 위치된 추가적인 장타원형 폐쇄 코일(22)의 쌍이 구조적 수단으로서 선택적으로 제시되고, 그것에 의하여 [코일(22) 내의 전류 강도 및 방향을 조절하는 것에 의해) x 방향으로 제로 값 네트 편향을 생성(및/또는 유지)하고, 제로 값 네트 편향은 입구 및 출구 위치에서의 양의 편향과 중간 극으로부터의 음의 편향을 더한 총 합계이다. 장치의 중간 구역의 자기장이 추가적인 장타원형 폐쇄 코일(22)을 사용하여 또는 네트 x 편향이 정확하게 보상되게 허용하는 다른 동등한 배열체, 예를 들어 아이템 1 및 2를 둘러싸는 단일의 얇고 큰 직사각형 코일과 같은 것을 통해 평형이 이루어지지 않는 경우 네트 편향은 논-제로 값을 가질 수 있음을 알 수 있다.

장치 버전 3

제3 대체 조립체는 도 5에 의해 도시된 바와 같이, 2개의 개별적이고 동일하게 구성된 E-블록 코일 조합체를 포함하고, 그들은 이동 이온 비임 경로가 그들 사이를 횡방향으로 통과하도록 함께 배치되고 나란히 서로 대향하여 놓인다. 각각이 본 조립체 내의 그들 자신의 E-블록 장착부 내에 고정되는 2개의 개별적인 코일(2)은 동일한 방향의 동일한 전류에 의해 여기되어, 자기장이 하나의 E-블록 장착부의 자극으로부터 다른 하나의 대향 극으로 연장된다.

장치 버전 3은 대향 극이 동일 또는 반대 극성을 가지든 작동한다는 것이 흥미롭다. 그러나, 설명을 위해, 대향 극이 반대 극성을 갖는다고 가정하며, 이는 2개의 코일 내의 전류가 y 축 주위에서 동일한 방향으로 흐르는 것을 요구한다. 그러나, 포커싱 효과의 도출은 전류가 반대인 경우에 대해서는 상이할 것이다.

장치 버전 3 구성물은 하나의 코일/블록 구조물에 가까운 단일의 이동 비임과 함께 사용될 수 있거나, 2개의 개별적이고 거의 평행하게 이동하는 리본형 비임으로서, 하나의 비임이 코일-블록 구조물의 각각에 인접하여 가깝게 지나가는 리본형 비임에 의해 사용될 수 있다. 결코 물리적 접합 또는 직접 접촉하지 않는 2개의 E-블록-코일 조합체는 이동 비임이 관통하는 갭 거리를 걸쳐 서로 자기적으로 유인한다.

또한, 만약 장치 버전 3 구성물이 (도 9a에 도시한 바와 같이) 포커싱을 위해 사용될 경우, 어떠한 비임 정지부도 사용될 필요가 없음을 알 수 있다. 대안적으로, 만약 구성물이 [도 9b에 도시한 바와 같이, 그러나 그 순간 코일 내의 전류 유동 방향을 무시하고 - 아래 설명 참조]질량 선택을 위해 사용된다면, 중간을 관통하는 경로가 도 5에서 비임 정지부(3 및/또는 4)에 의해 도시한 바와 같이 어떤 지점에서 차단되는 것이 필수적이다. 중간면에 인접하여 통과하도록 허용되는 이온은 거의 어떠한 y 방향으로의 편향을 경험하지 못하고, 그러한 이온에 대해서는, 따라서 오염물에서의 분리가 불가능하다.

또한, 상술된 장치 버전 2에 의해 제공된 자기장 형상은, 대칭으로 알 수 있는 바와 같이, 장치 버전 3의 조립체의 절반에 존재하는 자기장의 형상과 근본적으로 동일함을 알 수 있을 것이다. 자기장 선은 (만약 그것이 거의 포화 상태가 아니라면) 강자성 판의 표면에 수직인 자유 공간으로 들어가거나 빠져나갈 수 있다. 따라서, 판은 장치 버전 3의 대칭체의 중간 평면과 동등한 경계를 제공한다. 또한, 추가적인 트림 코일(22)이 또한 장치 버전 3에 유용하게 추가될 수 있다.

장치 버전 4

본 발명의 제4 실시예는, 코일 중 하나의 코일에서 전류가 역전되어 두 개의 개별 코일에서 각 전류가 대전(charge)/극성이 반대되는 점을 제외하면 상술한 장치 버전 3과 매우 유사하다. 따라서, 이러한 장치 버전 4에서, 가장 주목할 구성은 두 개의 개별 E-블록 코일 조합체가 반대로 자화되고 서로 밀어내는 것이다.

이러한 구성에 대해, 도 6은 형상 내의 자기장 라인을 표시하고, 형상에서 외부 필드는 최소화된다. 이 구성은 단면에서 직사각형 정점에 집중되도록 배치되는 전도체의 직선 길이에 대해뿐 아니라, 분석의 실행 및 용이성 모두에 대해 바람직하다. 전류의 방향은 도 9a에 도시된 상이한 전류 흐름과는 반대로, 도 9b에 도시된 바와 같이 직사각형 주위를 이동할 때 엇갈린다.

또한, 이러한 장치 배열에서 y-포커싱의 기점은 상이하다. 장치 버전 2 및 3 각각에서, 자기장의 z-요소는 대칭 평면에서 제로이지만, 횡방향 이온 이동의 요소(v_x)는 주어진 z-좌표에서 전체 비임 두께를 가로질러 기본적으로 일정하다.

그러나 장치 버전 4에서는, 상황이 변경되고, v_x 이동이 y-좌표와 함께 변하고, 자기장의 z-요소는 주어진 z-좌표에서 비임 폭을 가로질러 실질적으로 균일하다(완전히 균일한 것은 아님). 그러나, y 이동의 효과는 매우 유사하다.

가장 중요하고 구별되는 것은, 이들 구성된 조립체 및 대체 장치 배열의 어느 것도 이온 비임이 코일을 관통하지 않는다는 것이다. 이온 비임이 코일을 관통하는 경우는 종래 발생하는 구조이며 본 발명의 어떠한 실시예는 이에 포함되지 않고 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시예, 또는 형태 또는 장치 배열 어느 것도 솔레노이드 장치로서 구성 또는 채용되지 않는다.

장치 버전 5

장치의 제5 실시예는 선택적으로 구성예로부터 코일을 삭제하고 E-블럭 장착부 내의 스틸 또는 다른 강자성 재료의 일부를 영구 자석으로 대체한다. 그러나, 구성예 내에 이러한 변화는 기기에 의해 선택된 자기 강성이 더 이상 신속하게 조정될 수 없다는 것을 의미한다. 이동하는 비임의 조정은 좁은 범위에 걸친 요소의 간격을 변경함으로써 이루어져야 한다.

이러한 대체 버전은 장치 버전 4에서 상술한 바와 같이 필드 배향에서 가장 적합하다. 장치 버전 3에서도 가능하지만, 네트 y 편향은 추가의 코일(22) 없이 제어하기 어렵고, 이러한 코일을 추가하는 것은 영구 자석의 이점을 무효화 한다. 또한, 대형 비임에서, 코일을 작동시키는 전류의 가격은 매우 중요할 수 있어서, 단일 비임 종류를 요구하는 실시예가 존재하는 경우, 영구 자석 버전은 현저하게 유리할 수 있다.

장치 버전 6

제6 실시예는 도 11에 도시된 바와 같이 코일(2)에 직교하여 감기고 강자성 E-형상 블록 장착부(1) 각각의 외부 표면 주위에 그리고 이를 넘어 배치된, 복수의 추가 장타원형 코일(32a, b, c)을 포함하는 조립체이다. 추가 코일(32)은 개별 또는 쌍(x-좌표에 따라 집합됨) 중 어느 하나를 전류가 관통함으로서 여기될 수 있다. 추가 코일의 대향 세트는 보통 대향 방향으로 여기될 것이다. 이 추가 코일은 임의의 장치 버전 1 내지 5 각각에서 각 E-형상 블록 장착부에 추가될 수 있으나, 명확하게 하기 위해 여기서는 장치 버전 4에 추가 코일의 추가 및 존재하는 것으로 제한한다.

추가 코일은 직교 평면에 놓이기 때문에 상술된 기능에 영향을 미치지 않지만, 추가 코일에 전류를 변화시킴으로써 이온 비임의 전류 균일도 조절성을 상술된 기능에 중첩시킨다. 이러한 특별 기능은 본 명세서에 참조로 통합된 미국 특허 제7,078,713에 개시된 것과 동일하다. 따라서, 본 발명의 본 실시예는 포커싱, 질량(mass) 선택, 및 단일 기기 내의 균일도 제어의 조합을 제공할 수 있기 때문에 무게, 공간, 및 기능면에서 큰 경제성을 갖는다.

Ⅳ. 다양한 대체 실시예의 요약 비교

전체적으로 본 발명에 관련된 전문직 종사자를 위한 관련 정보 및 재료 정보의 다양한 관점을 제공하는 요약 비교 및 실질적 리뷰가 이하에서 설명된다. 세부 설명의 품질 및 양은 본 발명의 실제 장점이 인식되고 실제함을 이해될 수 있기 위해 제시된다.

1. 본 발명과 관련하여, y-편향 특성 및 y-포커싱 특성은 다음의 방식으로 생성된다.

폐쇄된 장타원형 코일의 만곡 단부 근처 이외의 모든 지점에서, 자기장은 y-z 평면에 평행하게 놓이기 때문에, 이러한 자기장은 대전된 입자에 임의의 y-지향 편향을 부여하여 이후 y-z 평면으로 이동하는 것은 불가능하다. 그러나, 입력 리본-형상 이온 비임이 y-z 평면에 평행하게 이동하는 대전 입자만을 포함할 수 있더라도 이들 입자는 자기장을 횡단하기 시작하기 때문에, 자기장의 y-요소는 (정 또는 부) x-방향에서 대전 입자를 편향시킨다.

또한, 자기장의 z-지향 요소를 갖는 영역에서 이온 이동의 x-지향 요소는 y-지향 편향을 생성하는 것을 알 수 있다.

따라서, 상술한 본 발명의 장치 버전 1, 2, 또는 3에서, x-편향량은 이온의 y-좌표에 거의 독립적인 반면, 장치 버전 4(폐쇄 코일 중 하나에서 전류가 역전되고 두 개의 개별 폐쇄 코일에서 각 전류가 대전/극성이 반대됨)에서, x-편향량은 이온의 y-좌표에 종속되고 중앙 대칭 평면 상에서 제로로 떨어진다.

도 7a는 장치 버전 4를 구성하는 장치의 이온 이동의 사시도이다. 도 7b는 본 발명의 장치 버전 4를 구성하는 질량 분석 장치에 걸쳐 횡방향으로 관통하는 이온 비임에서 z-축을 따라 관측되는 도면을 나타내고, y-지향 편향의 결과로 만곡된 이온 경로를 도시한다.

이러한 모든 대체 실시예에서, 자기장의 z-요소의 양은 y-좌표에 의존한다. 이는 테일러 전개식으로부터 산출되는

(높은 차수 항)

맥스웰 컬 방정식에 따르기 때문이다.

y = 0 에서

및

2. 상술한 본 발명의 다섯 개의 상이한 대체 실시예 중에서, 장치 버전 4는 일반적으로 사용되기 가장 바람직하다. 이 선호도에 대한 이유는 명확하다.

(i) 장치 버전 1, 2, 및 3 각각에서, (전류 방향에 의존하는) x-방향에서의 네트 편향은 입구 및 출구 위치에서 정 편향에 더하여 중앙 극으로부터의 부 편향의 합계이다. 이는 중앙 영역 내의 자기장이 (반대 방향에서) 입구 및 출구 위치에 존재하는 것에 의해 제대로 평형을 이루지 않는 경우 제로 이외의 값이 될 수 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이 한 쌍의 추가적인 폐쇄 코일의 사용을 필요로 할 것이다.

그러나, 장치 버전 4의 실시예에서, 전체 네트 x-편향은, 축을 벗어난 위치에서 그리고 y=0, B_y=0에서 제로 x-편향이기 때문에 존재하지 않고, 전체적 대칭은 기기의 제1 절반부(first half)에서 획득된 x-편향이 제2 절반부에서 역전되는 것을 의미한다. 이 기기는 또한 표유 자속(stray flux)의 우수한 제어를 제공한다.

(ii) (도 9a와 같이) 동일 방향의 전류를 갖는 대향 코일과 비교되는 (도 9b와 같이) 반대 방향의 전류를 갖는 대향 코일의 작동 효과는

비임의 전체 네트 x-조향 제거,

외부로의 플럭스 누출의 대량 감소,

약간 개선된 포커싱 품질 및

주어진 y-포커싱량에 대해 약 40% 이상 전류 필요

이다.

이에 따라 비교하면, 대향 코일 전류를 갖는 장치 버전 4 실시예가 가장 바람직하다.

(iii) 하나의 E-블록 장착부의 N극이 대향 E-블록 장착부 상의 N극과 마주보고 하나의 E-블록 장착부의 S극이 대향 E-블록 장착부 상의 S극과 마주보는 장치 버전 5의 영구 자석 아날로지(analog)는 단일 질량-에너지 조합체에서 사용하기에 매우 적절하다.

3. 본 발명의 장치 버전 4 및 5에서, 주요 단계는 이온 비임 내에 대칭 자기장의 두 개의 개별 구역 생성이다. 제1 구역에서, 자기장은 이온 빔 이동과 정렬되고, 제2 구역에서, 자기장이 역전된다.

또한, 두 개의 자기장이 만나고 서로 대향하는 첨점(cusp)이 형성된다. 이 첨점은 리본-형상 이온 비임의 주요 치수를 따라 횡방향으로 연장된다. 이 첨점 근처에서, 자기장은 4중극 형태이다. 맥스웰 방정식을 만족하기 위해, 자속선은 비임의 측면으로부터 진입하고 떠나간다.

또한, 면 대칭이므로, 자속선은 비임의 주요 횡방향의 단부로부터 떠나지 않고 떠날 필요가 없다. 필드는 비임의 각 측면 외부의 수단에 의해 순전히 생성되고 코일이 비임을 에워쌀 필요가 없고, 어떠한 자기 기기도 비임을 포함할 필요가 없다.

또한, 자기장은 비임 경로를 따라 제로값으로 통합되기 때문에, 자기장은 임의의 전류 없이 영구 자석을 사용하여 제공될 수 있거나, 코일이 상술한 바와 같이 사용될 수 있다. 이러한 전류 가변 코일은 전류의 크기 및 방향을 변화시킴으로써 조정을 허용하는 반면, 영구 자석은 구성 요소의 기계적 위치를 변경시킴으로써 또는 (해당 기술 분야의 숙련자에 공지되고 일반적으로 사용되는) 이동 가능한 션트(shunt)에 의해 일부 자속을 분류하도록 제공함으로써 포커싱 조건의 근소 조정만을 허용한다.

4. (대체 실시예와 비교하여) 장치 버전 4의 장점을 추가로 고려하는 것은 유용하다. 상술한 바와 같이, x-y 단면에서 보여지는 바와 같은 구조의 전도체는 직사각 형상 조립체의 꼭짓점에 놓이고, 통상적으로 공지된 파노프스키 4중극 렌즈(Panofsky quadrupole lens)를 갖는 아날로지에 의해, 조립체의 중앙에 생성된 자기장은 4중극과 유사하여, B_z=kz 및 B_y=-ky, Bx=0 이다. 그러나, 대칭의 점검은 평면 z=+/-z_o/2에서 일부 대칭이 존재하고 Bz가 이 평면의 각 측면에서 크기가 감소하는 것을 나타내고, 따라서 이 평면에서

이다.

이에 따라, 4중극 필드 거동은 단지 국소적이고, 전체로서 자기장은 B_z가 도 8에 도시된 형태인 중간 xz 평면에 대해 맥스웰 방정식의 확장으로서 분석될 수 있다.

y-편향량은 장치 버전 3 또는 4 중 어느 하나에서 기기의 중심으로부터 거리를 갖는 대략적으로 선형이거나, 또는 장치 버전 2에서 편평 강자성 판으로부터의 거리까지 대략적으로 선형이다.

장치 버전 1에서 또한 설명된 바와 같이, 변화는 선형은 아니다. 선형 변화는 거의 수차 없이 잘 거동되는 포커싱을 생성하지만, 모든 경우에서 있어서, 수차는 매우 중요하다.

5. 장치 버전 4는 특히 포커싱 기기로서 채용될 수도 있다. 쌍으로 대향되게 배치된 장치 버전 4의 E-블록-코일 조합체는 임의의 비임 정지부 또는 개구없이 x-방향으로 포커싱하지만 y-방향으로는 포커싱을 일으키지 않는 렌즈를 제공하도록 사용될 수 있다. 이러한 특성 및 효과를 도시적으로 나타내는 도 9a를 참조한다.

이러한 특정 선택적 특성에 대해 가능한 일 적용예는 이온 공급원로부터의 분기하는 리본-형상 비임을, 바람직하지 않은 포커싱을 부여하는 경향이 있거나 이온 비임의 디포커싱을 일으키는 다른 능동 기기(예컨대, 감속 구조물)로 부합시키는 것일 수 있다. 이러한 사용의 선택적 예에서, 장치 버전 4 실시예는 y-분기에 영향을 주지 않으면서 x-분기의 제어 및 조정을 허용할 것이다.

다른 선택적 사용예는 (분기가 전류 및 에너지에 강하게 종속되는) 감속 구조물로부터의 비임을, 장치 버전 6의 불균일성 제어와 결합하여 x-방향의 비임을 방해하지 않고 y 방향으로 포커싱하는 성능이 매우 효과적일 수 있는 처리 스테이션으로 이동하는 것일 수 있다.

6. 본 발명은 전체로서 질량 분리 및 선택을 위해 채용될 수 있다. 일반적으로, 질량 분리는 잘 제어된 포커싱과 결합된 질량-의존 배치("분산"은 상업 산업에서 가장 공통적으로 사용되는 용어임)를 요구한다. 형성된 개구는 소정의 비임 내의 포커스 주위에 배치되고, 또한 자기 편향이 질량-의존적이라는 점이 상기될 것이다.

따라서, 이러한 질량 분리 적용예에서, 이온 비임은 x-z 평면 근처(하지만 바람직하게는 이 평면으로부터 약간 변위된)에 이온 공급원의 출구 슬롯 및 대응 추출 전극을 배치함으로써 제조되고, 이온 비임은 도 9b에 도시된 바와 같이 E-코어 장착부에 가깝게 지나가도록, 중앙 평면으로부터 떨어져 약 5도와 10도 사이의 작은 각도로 배향된다.

비임 정지부(3)는 x-z 평면에 매우 가깝게 지나가는 임의의 이온 궤적을 차단하도록 배치된다. 추가의 비임 정지부(4)(및 바람직하게는 제1 정지부의 연장부)는 E-코어 조립체의 하향 스트림에 배치된다. 또한 차단부(8)를 내장한 개구는x-z 평면의 각 측면 상의 하나에 이온 비임에 대해 두 개의 슬롯형 통로를 제공하도록 추가의 비임 정지부에 가깝게 제공될 수 있다. 이들 구조적 구성 각각은 도 4a 및 9b에 각각 도시된다.

이온 비임(또는 비임 쌍)이 선택된 에너지로 가속된 소정의 종류를 포함한 채로, E-코어 조립체 내의 전류는 도 10에 도시된 바와 같이 소정의 이온 종류가 개구를 통과하여 포커싱될 때까지 조정된다. 소정의 이온으로부터의 특정 굴절 이상으로 질량이 상이한 이온 종류는 차단되며 전달되지 않는 점을 알 수 있을 것이다. 전형적으로 +/-20% 이하의 질량 차이는 거부됨에 있어 충분하다.

게다가, 이 장치에서, 분산은 각 중앙 평면(장치 버전 3, 4, 및 5) 또는 편평 경계판(장치 버전 2)으로부터의 거리에 비례한다. 그러나, 장치 버전 1에 대해서는 분산이 제로로 선형적으로 떨어지지 않기 때문에 형성하기 다소 어렵다. 분산이 너무 작은 영역을 통한 경로는 차단되어야 하고, 이후 분해(resolving) 개구가 적절한 위치에 배치되고 코일 전류는 소정의 비임 종류가 이 슬롯을 통해 관통하도록 조정되어, 소정의 비임이 오염물로부터 분리될 수 있다.

M/ΔM FWHM으로 표현되는 분해능(resolving power)은 높지 않으며, 도 10은 분해능이 5보다 큰 예를 도시한다. y-방향에서 비임의 폭과 분해능 사이에서 전달될 수 있는 상호 관계(실제 상황에서 이온 공급원으로부터의 분기에 의해 결정됨)가 존재한다.

7. 본 발명의 장치 버전 3, 4, 또는 5는 하나의 이온 공급원으로부터의 이웃하는 추출 슬릿으로부터 또는 동시에 한 쌍의 이온 공급원으로부터 생성되는 두 개의 개별 리본형 이온 비임을 정제 및 병합하도록 사용될 수 있다. 요구 조건은, 두 개의 리본 형상 이온 비임은 x-방향으로 임의에 위치하고 서로에 대해 1 또는 2 cm 내에 이격되고, 각각은 약 4 도의 전체 분기를 갖고, 비임 전류가 거의 없는 두 개의 비임 사이에 8 내지 12도 구역을 갖는 것이다.

두 개의 분기 이온 비임은 쌍을 이룬/한 쌍의 E-블록-코일 조합체에 의해 수용되고 타겟 상에 다시 포커싱될 수 있고, 이와 동시에 비임 정지부는 도 10에 도시된 바와 같이 상이한 질량 또는 에너지로 원하지 않는 종류를 차단한다. 전형적인 플라즈마 추출 전극 시스템은 거의 4도 아래의 적은 전체 환형 스프레드를 갖는 이온 비임을 생성하고, 도면에서, 4도는 가정되어 있다.

이온 공급원은, 약 x-z 평면에서 대칭이며 서로에 대해 약 10도 내지 20도 사이만큼 분기되어, 이온의 한 쌍의 비임이 추출되는 두 개의 평행 슬릿을 구비할수 있다. 따라서, 각 비임은 두 개의 마주하는 E-코어 조립체 중 하나에 가깝게 지나간다. 추출 전극의 세부 사항은 도시되지 않는다(추출 전극의 사용은 잘 확립되어 있고 공지되어 있다).

웨스트너 및 두드니코프(Westner and Dudnikov)[Rev Sci Inst, vol. 73, page 2, 2002]에 의해 설명된 이온 공급원은 본질적으로 두 개의 평행 리본 비임을 생성하고, 따라서 도 10에 도시된 바와 같이 바로 사용될 수 있다.

다음의 단계를 사용하여 소정의 종류의 질량-분석 이온 비임을 효율적으로 생성할 수 있다.

단계 1 : 대부분 평행하지만 작은 각도로 서로에 대해 분기되는 한 쌍의 리본-형상 이온 비임이 추출되는 두 개의 평행 추출 슬릿을 갖는 이온 공급원을 제공하는 단계로서, 상기 이온 비임 각각은 소정의 순 이온 종류 및 원하지 않는 이온의 오염물 종류를 포함한 상기 쌍을 형성하는 단계

단계 2 : 상기 한 쌍의 이온 비임이 색수차를 갖는 포커싱 기기를 관통시키도록 하는 단계로서, 하나의 비임은 상기 포커싱 기기의 대칭 평면의 각 측면에서 지나가는 단계

단계 3 : 포커싱 장치로부터 대칭 평면 하향 스트림 상에 대칭 배치된 단일 개구를 통해 상기 리본 비임 모두가 동시에 지향되도록 상기 포커싱 기기의 포커싱 강도를 조정하는 단계

단계 4 : 포커싱 장치의 대칭 표면에 매우 가깝게 이동하는 원하지 않는 이온을 가로막기 위해 적어도 하나의 비임 차단 정지부 및 포커싱 기기의 대칭 평면으로부터 너무 멀리 벗어나는 임의의 이온을 가로막기 위해 적어도 하나의 이온 비임 차단 정지부를 제공하는 단계

단계 5 : 상기 한 쌍의 이온 비임 내의 원하지 않는 이온의 오염물 종류로부터 소정의 순 이온 종류의 분리를 일으키는 단계로서, 상기 분리는 질량, 대전, 에너지, 및 자기 강성으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 특성이 상이한 물리적 특성을 갖는 소정의 이온에 기초하여 이루어지는 단계

이러한 분리 기술을 실행하는 경우, 장치 버전 3, 4, 또는 5 각각으로서 상술된 장치는 단일 치수 내에 소정의 포커싱 소정 특성을 제공할 수 있고 가능한 리본 비음을 포함하도록 확장될 수 있고, 강한 색수차를 표시할 수 있다.

본 발명은 첨부된 청구항 이외의 범위로 한정되지 않는 형태로 제한되지 않는다.

Claims (19)

1. 이동하는 대전 입자 비임을 포커싱하는데 적합한 포커싱 장치로서, 상기 비임이 상기 장치 부근을 횡방향으로 통과하고 상기 비임의 이동 방향이 직교 좌표계에서 실질적으로 z-방향인, 포커싱 장치이며,
   복수의 개별적이고 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 복수의 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널을 갖는 노출된 블록 면을 가지며 강자성 재료로 형성된 실질적으로 E-형상인 블록 장착부와,
   상기 E-형상 블록 장착부의 구조 안으로 횡방향으로 끼워지고 상기 E-형상 블록 장착부의 x-z 평면 내에 배치되는 자기장 발생 수단을 포함하고,
   (α) 치수상으로 상기 E-형상 블록 장착부는 근거리에서 장치를 통과하는 이동하는 대전 입자 비임의 x-축 크기보다 큰 거리로 x-축 방향으로 연장되고,
   (β) 상기 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 상기 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널은 대전 입자 비임이 이동하는 방향에 대해 직각으로 놓이며,
   상기 자기장 발생 수단에 의해 발생된 자기장은 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 블록 면으로부터 y-방향으로 직각으로 연장되는
   포커싱 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은
   적어도 하나의 전기 전도성 재료가 권취된 장타원형 폐쇄 코일로서, 이동하는 대전 입자 비임의 x-축 치수보다 큰 2개의 평행한 직선부 및 180도로 각각 구부러진 2개의 만곡 단부를 가지며, E-형상 블록 장착부의 면 상의 상기 2개의 평행 오목형 채널에 의해 제공되는 공간 체적 내에 횡방향으로 끼워지고 전체적으로 안착되는 폐쇄 코일과,
   상기 폐쇄 코일에 전류를 전달하여, 상기 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면 상의 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지가 교번하는 극성을 가진 별개의 자극들을 형성하게 하는 전류 전달 수단을 포함하는
   포커싱 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은
   상기 E-형상 블록 장착부의 면 상의 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지에 횡방향으로 끼워지고 전기적으로 결합되어, 상기 E-형상 블록 장착부의 면 상에 배치된 상기 공간적으로 이격된 상승 릿지들이 교번하는 극성을 가진 별개의 자극들을 형성하게 하는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는
   포커싱 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면에 대해 고정된 갭 거리를 두고 설치되고 평행하게 배치되는 편평한 강자성 판을 더 포함하고, 이동하는 대전 입자 비임은 상기 강자성 판과 상기 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면 사이의 상기 고정된 갭 거리의 공간 체적을 횡방향으로 관통하는
   포커싱 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 E-형상 블록 장착부의 외부 표면을 둘러싸는 복수의 직각으로 권취된 추가 코일과,
   상기 복수의 직각으로 권취된 추가 코일들과 통신하는 요구 전류 공급원을 더 포함하고,
   상기 추가 코일은 각각 와이어 권선인
   포커싱 장치.
6. 이동하는 대전 입자 비임을 포커싱하기 위한 조립체로서, 상기 비임이 상기 조립체를 횡방향으로 통과하고 상기 비임의 이동 방향이 직교 좌표계에서 실질적으로 z-방향인 포커싱 조립체이며,
   고정된 갭 거리를 두고 서로 공간적으로 이격되어 설치되고, 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 포커싱 아티클을 포함하고,
   이동하는 대전 입자 비임은 상기 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치된 포커싱 아티클들 사이의 상기 고정 갭 거리의 공간 체적을 z-방향으로 횡방향으로 통과하고,
   상기 정합 쌍을 이루는 포커싱 아티클은 강자성 재료로 형성된 실질적으로 E-형상인 블록 장착부와, 상기 E-형상 블록 장착부의 구조 안으로 횡방향으로 끼워지고, 상기 E-형상 블록 장착부의 x-z 평면 내에 배치되는 자기장 발생 수단을 각각 포함하고,
   노출된 블록 면은 적어도 3개의 개별적이고 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 적어도 2개의 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널을 제공하며,
   (α) 치수상으로 상기 E-형상 블록 장착부는 상기 조립체에 걸쳐서 z-x 평면 근처를 통과하는 이동하는 대전 입자 비임의 x-축 크기보다 큰 거리로 x-축 방향으로 연장되고,
   (β) 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 상기 2개의 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널은 대전 입자 비임의 이동 방향에 대해 직각으로 놓이고,
   상기 자기장 발생 수단에 의해 발생된 자기장은 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 블록 면으로부터 y-방향으로 직각으로 연장되고,
   상기 포커싱 조립체는 상기 대향하여 배치된 포커싱 아티클 쌍 내의 각각의 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면들 사이에 존재하는 상기 고정 갭 거리를 횡방향으로 통과하도록 이동하는 대전 입자 비임을 지향시키는 수단을 더 포함하는
   포커싱 조립체.
7. 제6항에 있어서, 상기 자기장 발생 수단은
   (i) 상기 E-형상 블록 장착부의 면 상의 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지에 횡방향으로 끼워지고 결합되어, 상기 E-형상 블록 장착부의 면 상에 배치된 상기 공간적으로 이격된 상승 릿지들이 교번하는 극성을 가진 별개의 자극들을 형성하게 하는 적어도 하나의 영구 자석과,
   (ii) 적어도 하나의 전기 전도성 재료가 권취된 장타원형 폐쇄 코일로서, 이동하는 대전 입자 비임의 x-축 치수보다 큰 2개의 평행한 직선부 및 180도로 각각 구부러진 2개의 만곡 단부를 가지며, E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면 상의 상기 2개의 평행 오목형 채널에 의해 제공되는 공간 체적 내에 횡방향으로 끼워지고 전체적으로 안착되는 폐쇄 코일과,
   상기 폐쇄 코일에 전류를 전달하여, 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 면 상의 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지가 교번하는 극성을 가진 별개의 자극들을 형성하게 하는 전류 전달 수단으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인
   포커싱 조립체.
8. 제6항에 있어서, 상기 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 포커싱 아티클들은 자기적으로 서로 밀어내는
   포커싱 조립체.
9. 제6항에 있어서, 상기 갭 거리 내에 적어도 하나의 오프-센터(off-center) 통로 레인이 형성되도록 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치된 포커싱 아티클들 사이에 존재하는 상기 고정된 갭 거리의 공간 체적 내에서 중심에 위치하는 적어도 하나의 비임 정지부를 더 포함하여, 상기 비임 정지부는 대전된 입자 비임이 직선 관통 이동하는 것을 방지하지만, 상기 비임 정지부와 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치된 포커싱 아티클들 사이에 존재하는 상기 오프-센터 통로 레인을 통한 대전 입자 비임의 오프-센터 전송을 허용하는
   포커싱 조립체.
10. 제9항에 있어서, 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 포커싱 아티클들의 중간 평면으로부터 하류에 위치하고 중간 평면 상에 중심 설정되는 미리형성된 개구-포함 배리어를 더 포함하고, 상기 개구 포함 배리어는 상기 오프-센터 통로 레인을 통해 전송되는 이동하는 대전 입자 비임의 부분들이 조정되는 것을 허용하는
    포커싱 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 조정은 이온 질량 차이, 이온 전하 차이, 비임 에너지 차이 및 자기 강성 차이로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물리적 특성에 기초하여 이온을 선택하기 위해 자기장 강도를 변경함으로써 달성되는
    포커싱 조립체.
12. 제6항에 있어서, 상기 E-형상 블록 장착부의 외부 표면을 둘러싸는 복수의 직각으로 권취된 추가 코일과,
    상기 복수의 직각으로 권취된 추가 코일들과 통신하는 요구 전류 공급원을 더 포함하고,
    상기 추가 코일은 각각 와이어 권선인
    포커싱 조립체.
13. 특정한 좁은 범위의 자기 강성을 가지는 원하는 이온을 포커싱 및 분리하고 적어도 하나의 이동하는 대전 입자 비임에 존재하는 다른 원치 않는 이온을 차단하기 위한 조립체로서, 비임의 이동하는 방향은 직교 좌표계에서 실질적으로 z-방향인 조립체이며,
    (α) 대전 입자 비임이 통과하는 공지된 공간 체적의 이동 경로를 둘러싸는 진공 챔버와,
    (β) 상기 진공 챔버의 공간 체적 내에 위치되는 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 아티클을 포함하고,
    상기 정합 쌍을 이루는 아티클들은 고정된 갭 거리를 두고 서로 공간적으로 이격되어 설치되고, 이동하는 대전 입자 비임은 상기 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치된 아티클들 사이의 상기 고정 갭 거리의 공간 체적을 z-방향으로 횡방향으로 통과하고,
    상기 정합 쌍을 이루는 아티클들은 강자성 재료로 형성된 실질적으로 E-형상인 블록 장착부와, 상기 E-형상 블록 장착부의 구조 안으로 횡방향으로 끼워지고, 상기 E-형상 블록 장착부의 x-z 평면 내에 배치되는 자기장 발생 수단을 각각 포함하고,
    노출된 블록 면은 적어도 3개의 개별적이고 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 적어도 2개의 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널을 제공하며,
    (i) 치수상으로 상기 E-형상 블록 장착부는 상기 조립체에 걸쳐서 z-x 평면 근처를 통과하는 이동하는 대전 입자 비임의 x-축 크기보다 큰 거리로 x-축 방향으로 연장되고,
    (ii) 상기 3개의 공간적으로 이격된 평행 상승 릿지 및 상기 2개의 개재되고 공간적으로 이격된 평행 오목형 채널은 대전 입자 비임의 이동 방향에 대해 직각으로 놓이고,
    상기 자기장 발생 수단에 의해 발생된 자기장은 상기 E-형상 블록 장착부의 노출된 블록 면으로부터 y-방향으로 직각으로 연장되고,
    상기 조립체는
    (γ) 상기 대향하여 배치된 아티클 쌍 내의 각각의 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면 사이에 존재하는 상기 고정 갭 거리를 횡방향으로 통과하도록 이동하는 대전 입자 비임을 지향시키는 수단과,
    (δ) 상기 갭 거리 내에 적어도 하나의 오프-센터 통로 레인이 형성되도록 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치된 아티클들 사이에 존재하는 상기 고정된 갭 거리의 공간 체적 내에서 중심에 위치하는 적어도 하나의 비임 정지부으로서, 대전된 입자 비임이 직선 통과 이동하는 것을 방지하지만, 상기 비임 정지부와 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치된 아티클들 사이에 존재하는 상기 오프-센터 통로 레인을 통한 대전 입자 비임의 오프-센터 레인 통과를 허용하는 비임 정지부과,
    (ε) 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 포커싱 아티클들의 중간 평면으로부터 하류에 위치하고 중간 평면 상에 중심 설정되는 미리형성된 개구-포함 배리어로서, 상기 오프-센터 통로 레인을 통해 전송되는 이동하는 대전 입자 비임의 부분들이 한정된 범위의 각도를 통해 굴절되는 것을 허용하는 개구-포함 배리어를 더 포함하고,
    이온을 포커싱하고 미리설정된 범위의 질량 및 에너지 특성을 갖는 원하는 이온을 대전 입자 비임 내에 존재하는 원치 않는 다른 이온으로부터 분리하는
    조립체.
14. 제13항에 있어서, 상기 E-형상 블록 장착부의 상기 노출된 면으로부터 직각으로 연장되는 자기장이 미리 선택된 이온 질량을 위해 조정되는
    조립체.
15. 제13항에 있어서, 상기 진공 챔버를 통해 서로 동시에 이동하는 쌍을 이루는 별개의 리본형 이온 비임들을 더 포함하고, 상기 쌍을 이루는 리본형 이온 비임들은 거의 평행한 궤적을 갖지만, 작은 각도로 서로로부터 확산되고, 상기 쌍을 이루는 별개의 이온 비임들은 원하는 이온 종류 및 원치 않는 이온 종류를 각각 포함하는
    조립체.
16. 이동하는 리본형 이온 비임을 포커싱하는 방법이며,
    고정된 갭 거리를 두고 서로로부터 공간적으로 이격되어 설치되는 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치 및 정렬된 미리형성된 아티클들을 통해 다중-구역 대칭 자기장을 형성하는 단계로서, 상기 쌍을 이루고 대향하여 배치된 아티클은 상기 고정된 갭 거리를 가로질러 수직으로 연장되는 대칭 자기장을 발생시킬 수 있는, 다중-구역 대칭 자기장 형성 단계와,
    이동하는 리 리본형 이온 비임이, 상기 정합 쌍을 이루고 대향하여 배치된 아티클들 사이의 상기 고정된 갭 거리의 공간 체적 내에 존재하는 상기 발생된 다중-구역 대칭 자기장을 횡방향으로 통과하게 하는 단계를 포함하고,
    (i) 상기 발생된 자기장 내의 제1 구역의 배향은 비임 내의 이온의 이동 방향이고,
    (ii) 상기 발생된 자기장 내의 제2 구역의 배향은 상기 자기장의 제1 구역의 배향과 반대의 방향인
    포커싱 방법.
17. 제16항에 있어서, 이동하는 리본형 이온 비임이 상기 발생된 다중-구역 대칭 자기장의 상기 제1 및 제2 구역을 직접 통과하는 것을 차단함으로써 이동하는 리본형 이온 비임을 질량 분석하는 단계와,
    이동하는 비임의 이동을 적어도 2개의 제한된 레인 통로를 통해 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 제한된 레인 통로는 선형으로 정렬되지 않으며, 대칭형 자기장의 상기 제1 및 제2 구역의 효과에 의해 미리설정된 범위의 각도 내에서 편향된 이온들만이 상기 제한된 레인 통로들 중 하나 내로 지향되는
    포커싱 방법.
18. 제16항에 있어서, 대칭형 자기장의 상기 제1 및 제2 구역의 극성을 역전시키는 단계를 더 포함하는
    포커싱 방법.
19. 질량 분석된 별개의 이온 비임들의 쌍을 동시에 발생시키는 방법으로서, 각각의 비임은 원하는 이온 종류 및 원치 않는 이온 종류를 포함하는, 방법이며,
    거의 평행한 궤적을 갖지만 작은 각도로 서로 확산되는 쌍을 이루는 별개의 이온 비임들이 추출되는 2개의 평행한 추출 슬릿을 가진 이온 공급원을 제공하는 단계로서, 상기 추출된 이온 비임의 쌍은 각각 원하는 이온 종류와 적어도 하나의 원하지 않는 이온 종류를 포함하는, 이온 공급원 제공 단계와,
    상기 추출된 이온 비임의 쌍을 색수차를 갖는 포커싱 장치에 통과시키는 단계로서, 상기 비임들 중 하나는 상기 포커싱 장치의 대칭 평면의 각 측면 상을 통과하는, 포커싱 장치 통과 단계와,
    상기 비임 양자 모두의 궤적이 상기 포커싱 장치로부터 하류에 있는 대칭 평면 상에 배치된 단일 개구 포함 배리어를 동시에 통과하도록 안내하기 위해 상기 포커싱 장치의 포커싱 강도를 조정하는 단계와,
    상기 포커싱 장치의 대칭 평면에 너무 가깝게 이탈한 이온을 차단하기 위해 적어도 하나의 비임 차단 정지부를 제공하는 단계와,
    상기 포커싱 장치의 대칭 평면으로부터 너무 멀리 이탈한 임의의 이온을 차단하기 위해 적어도 하나의 비임 차단 정지부를 제공하는 단계와,
    상기 이동하는 이온 비임 쌍 내의 원치 않는 이온 종류로부터 원하는 이온 종류를 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 이온 종류를 분리하는 단계는 이온 질량 차이, 이온 전하 차이, 비임 에너지 차이 및 자기 강성 차이로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물리적 특성에 기초하여 이루어지는
    방법.

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