(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム装置であって、
イオンのビームを磁石によって受け且つ運ぶための飛行チューブを備えた分析磁石であって、前記飛行チューブ内に実質的に均一な磁界を生成して、前記均一な磁界の方向に垂直であり前記飛行チューブの中央部に位置する分散平面に平行に、ビームイオンを質量／電荷の比によって偏向するように作動可能である分析磁石と、
前記磁石を通って移動するイオンのビームの断面に隣接且つ外側に配置され、且つ磁石を通って移動するビームの飛行路に沿って延びる前記飛行チューブの内側の熱電子ソースとを備え、
前記熱電子ソースが、さらに、前記分散平面上の前記熱電子ソースの投影部及び前記磁石を通って移動するイオンビームの前記分散平面上の投影部が、ビームの前記飛行路に沿う複数の位置でオーバーラップするように配置されており、
前記熱電子ソースが、前記磁石によって生成される磁束によって、前記飛行路に沿う複数の位置で前記ビームにリンクされるように配置されている、
イオンビーム装置。
【請求項２】
前記熱電子ソースが、前記分散平面から実質的に離間し且つ該分散平面と平行である平面内の前記飛行路に沿って延びる請求項１に記載のイオンビーム装置。
【請求項３】
前記熱電子ソースが、熱電子的に電子を放出するように配置され、前記飛行路に沿って延び、前記磁石を通って移動するイオンのビームの中心にほぼ平行に配置される導電性フィラメントを備え、前記フィラメントが、前記分散平面上に投影部を有し、該投影部が、前記フィラメントの長さの少なくとも実質的に一部分に対して、前記磁石を通って移動するイオンのビームの前記分散平面上の前記投影部をオーバーラップする請求項１又は２に記載のイオンビーム装置。
【請求項４】
前記分散平面上の前記フィラメントの前記投影部が、互いにほぼ平行であり、前記分散平面上のビームの前記投影部の幅全域と離間するように配置される複数の前記導電性フィラメントを備えた請求項３に記載のイオンビーム装置。
【請求項５】
前記熱電子ソースが、熱電子的に電子を放出するように配置される複数の導電性フィラメントを備え、前記分散平面上に投影部を有する各フィラメントが、前記磁石を通って移動するイオンビームの前記分散平面上の前記投影部の幅の少なくとも一部分にわたって延び、前記フィラメントが、前記飛行路に沿って互いに離間している請求項１又は２に記載のイオンビーム装置。
【請求項６】
各前記フィラメントの前記投影部が、前記ビーム投影部の幅全域に完全に延びている請求項５に記載のイオンビーム装置。
【請求項７】
各前記フィラメントがほぼヘアピンのような形状を有している請求項５又は６に記載のイオンビーム装置。
【請求項８】
前記フィラメント又は前記複数のフィラメントのそれぞれが、タングステンを含有している請求項３から７のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項９】
前記フィラメント又は前記複数のフィラメントのそれぞれが、炭素を含有している請求項３から７のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項１０】
さらに、前記熱電子ソースと前記飛行チューブの内側との間に配置される少なくとも１つのヒートシールドを備えた請求項１から９のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項１１】
前記熱電子ソースが、フィラメントのアレイを備えた請求項１に記載のイオンビーム装置。
【請求項１２】
前記アレイが、実質的に平面であり、前記磁界に垂直である請求項１１に記載のイオンビーム装置。
【請求項１３】
さらに、電荷中和原子又は分子の供給源を備え、
前記供給源は、熱電子放出された電子によるイオン化のために、前記原子又は分子を前記飛行チューブに導入するように配置されている、請求項１，１１，１２の何れか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項１４】
前記熱電子ソースが、前記飛行チューブに対して負バイアス電圧を有するように配置された請求項１，１１から１３のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項１５】
前記熱電子ソースの前記負バイアス電圧が、調節可能である請求項１４に記載のイオンビーム装置。
【請求項１６】
前記飛行チューブの内側、前記ビームエンベロープの外側、及び前記熱電子ソースと前記飛行チューブの壁との間に配置される電子反射電極をさらに備え、前記電子反射電極が、実質的に平面であり、前記ビームの飛行路に沿って延び、前記分散平面への前記電子反射電極の投影部が、前記平面への前記ビームの投影部を少なくとも部分的にオーバーラップし、前記電子反射電極が、前記熱電子ソースに対して負バイアス電圧を有するようにさらに配置されている請求項１，１１から１５のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項１７】
前記電子反射電極の前記負バイアス電圧が調節可能である請求項１６に記載のイオンビーム装置。
【請求項１８】
前記電子反射電極が１枚のグラファイトを備えた請求項１６又は１７に記載のイオンビーム装置。
【請求項１９】
前記電子反射電極が、さらに、ヒートシールドを備えた請求項１６から１８のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【請求項２０】
第２の電子反射電極をさらに備え、前記電子反射電極及び前記第２の電子反射電極が、前記ビームの対向する両側に配置されている請求項１６から１９のいずれか一項に記載のイオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、適用された磁界の領域を通って移動するイオンビームの空間電荷を中和することに関し、特に、限定的ではないが、分析磁石の飛行チューブを通って移動するとき、イオンビームの空間電荷を中和することに関する。
【０００２】
分析磁石は、その飛行チューブ内にほぼ均一な磁界を生成し、飛行チューブを通って移動するイオンを、磁界の方向に垂直である平面の曲線状通路を経て進ませる。曲線状通路の半径は、
ｒ＝ｍｖ／ｑＢ＝（２Ｅｍ）1/2／ｑＢ
によって示され、
式中、ｖ、Ｅ、ｍ及びｑは、それぞれイオンの速度、エネルギ、質量及び電荷であり、Ｂは、飛行チューブの磁束密度の大きさである。分析磁石は、これによって、これらのエネルギ、質量及び電荷に従ってビームのイオンを空間的に（飛行チューブの磁界に垂直である分散平面に）分析するのに使用されることが可能である。
【０００３】
イオン注入装置において、分析磁石は、ターゲットの半導体基板への注入のための入射ビームから必要とされる種のイオンを選択するために、選択スリットと共に使用されている。一般に、入射ビームは、実質的に同一のエネルギを有するイオンを備え、磁石は、選択スリットで所望の質量／電荷の比を有するこれらのイオンを集束するように配置されるので、それらはスリットを通過し、ターゲットに衝突するように進む。
【０００４】
分光測定法の用途において、分析磁石は、独立した検出のために、それらの質量、エネルギ及び電荷に従ってビームのイオンを分析するのに使用されている。
【０００５】
理想的には、イオン注入及び分光測定の両方において、同一のエネルギ、電荷及び質量を有する飛行チューブに入るビームのイオンは、それらが出るとき、分析磁石によって、分散平面に垂直である共通のラインにすべて集束される。
【０００６】
しかし、中和効果がないとき、特定の極性のイオンのみを含有するビームは、空間電荷効果を受ける。ビームのイオンの相互反発は、ビームを発散させたり、又は「ブローアップ」させたりする。この相互反発は、イオンが磁石から出る位置が、その入射速度、質量及び電荷また印加された磁界によって、単に決定されないことを意味する。
【０００７】
イオン注入の用途において、入射イオンは、所望の質量／電荷の比を有するが、空間電荷効果のために、選択スリットに集束されることができず、ターゲットに達しない。これにより、所定のソースからターゲットに達するイオン注入電流を減少し、所望の注入線量を達成するのに必要とされるプロセス時間を増大する。その上、空間電荷効果は、飛行チューブの両サイドに衝突する入射ビームイオンの数を増加することを結果として生ずる。これにより、さらに、ターゲットに達する注入電流を減少して、飛行チューブからスパッタされる粒子によって、ターゲットの汚染を結果として生ずることになる。
【０００８】
同様に、分光測定法の用途において、ビーム「ブローアップ」は、異なるイオンの空間的な分解能を抑制する。
【０００９】
走査磁石がイオンビームを偏向する（例えば、ターゲット全域のビームを走査する）ために使用される用途において、磁石内側のビームブローアップは、さらに望ましくない。それは、ビーム強度及び制御精度を減少する。
【００１０】
ビームの空間電荷の効果は、同一のビーム電流のために、低エネルギービームにイオンの高密度があるので、特に、比較的低エネルギービーム（例えば、１‐２ｋｅＶ（キロ電子ボルト））に困難である。
【００１１】
分析又は走査磁石の飛行チューブなどのゼロ電界の領域において、イオンビームの自己中和は、ビームが通過する真空チャンバの残留ガスのビームイオンと原子との間の衝突で結果として生ずる電子及び陽イオンの生成により生じることが多い。しかし、この自己中和は、ビームブローアップを減少するのには妥当に（adequately）不十分である。これは、低エネルギで、ビームイオンと残留ガス原子との間の相互作用中、電子生成のための断面が極めて小さいとき、比較的低エネルギーイオンビームに対して特に当てはまる。
【００１２】
さらに、かなりの自己中和は、磁石を通るビーム通路全体に沿う飛行チューブの内側で衝突するビームからの局部電子生成の結果として生ずることがある。再度、しかし、これは、許容可能な、低レベルにまでビームブローアップを減少するのには不十分であり、いずれにせよ、ビーム損失及び好ましくない粒子生成を結果として生ずるので、回避されるべきである。
【００１３】
ゼロ電界及びゼロ磁界の領域（すなわち、「ドリフト空間」）において、空間電荷を中和する周知のテクニックは、例えば、ビーム飛行路に隣接したプラズマチャンバにおいて生成される低エネルギ（一般に、少数のｅＶ（電子ボルト））電子又はイオンで、イオンビームが進む領域をあふれさせることである。このドリフト空間において、電子又はイオンは、移動し、またビームポテンシャルを最少にするために、ビームに沿って、またビーム全域に移動することが可能である。
【００１４】
しかし、適用された磁界の領域において、磁界は、これらの電子又はイオンの移動度を厳密に制限する。数ｋｅＶ（電子キロボルト）程度を超えるエネルギでイオンのビームを偏向するのに十分な大きさが適用されたフィールドにおいて、低エネルギ帯電粒子及び特に、（小さい質量を有する）電子は、適用されたフィールドの方向に垂直な平面に極めて小さい半径の円形突出部を有する通路を経て進む。実際において、電子は、磁界ラインを経て進むように制限されている。それらは、分析磁石又は走査磁石の場合、電子がビーム軸に沿ってほぼゼロ移動度を有することを意味する適用されたフィールドに垂直なほぼゼロ移動度を有する。
【００１５】
分析磁石の接地された飛行チューブの内側などの電界が通常ゼロである領域において、実際には、ビーム自体から結果として生ずるような様々な小さな電界の存在により適用された磁界の方向に垂直である小さい量の電子移動がある。この移動はＥ×Ｂ移動として周知である。しかし、このような名目上Ｅフィールドのない領域において、ビームに沿う電子移動度は、一般に、かなり制限される。
【００１６】
従って、帯電粒子が、ビームに移動できないので、低エネルギ帯電粒子を隣接したドリフト空間領域に導入することによって、適用したフィールドの領域内側のビーム空間電荷を中和することができない。
【００１７】
本発明の第１の態様によれば、イオンビーム装置が提供され、そのイオンビーム装置は、
イオンのビームを磁石によって受け且つ運ぶための飛行チューブを備えた分析磁石であって、飛行チューブ内に実質的に均一な磁界を生成して、前記均一な磁界の方向に垂直であり前記飛行チューブの中央部に位置する分散平面に平行に、ビームイオンを質量／電荷の比によって偏向するように作動可能である分析磁石と、
磁石を通って移動するイオンのビームの断面に隣接し且つ外側に配置され、且つ磁石を通って移動するビームの飛行路に沿って延びる飛行チューブの内側の熱電子ソースとを備え、
さらに、分散平面上の熱電子ソースの投影部、及び磁石を通って移動するイオンビームの分散平面上の投影部が、ビームの飛行路に沿う複数の位置でオーバーラップするように該熱電子ソースが配置されている。
【００１８】
従って、磁石によって生成される磁束は、熱電子ソースと、飛行路に沿う複数の位置で磁石を通って移動するイオンのビームとをリンクし、電子は、これらの位置でビームにソースから熱電子放出される。
【００１９】
これにより、空間電荷がビームに沿う低電子移動度にもかかわらず、ビームに沿う複数の位置で中和されることを可能にし、その結果、「ブローアップ」を減少して、ビームを密着させる。熱電子ソースは、ソースからスパッタする結果として生ずるビーム汚染及びソースの関連した浸食を減少するために、公称ビームエンベロープの外側に配置される。
【００２０】
分析磁石によって生成される磁界の存在で、熱電子ソースから放出される電子は、ソースを通過するフィールドラインを経て容易に進む。これらのフィールドラインは、磁石の分散平面に垂直である。ただし、さらにイオンビームをリンクするフィールドラインに沿って移動するこれらの放出された電子は、その結果、ビームに入り、その空間電荷の中和に貢献する（陽イオンのビームの場合には直接に、又は、陰イオンの場合には、陽イオンを生成するために残留又は故意に導入されたガス原子又は分子と衝突することによって間接に）。
【００２１】
明らかに、熱電子ソース及びイオンビームの分散平面上の投影部間のオーバーラップの程度が大きければ大きいほど、ビームに入ることが可能なソースから放出される電子の割合が大きくなる。
【００２２】
有利な点として、熱電子ソースが、分散平面から一定の距離離間し、それと平行な平面に実質的に延びていることである。公称水平分散平面を有する分析磁石において、熱電子ソースは、故に、公称ビーム断面の真上の、又は真下の平面に配置される。
【００２３】
好ましい実施形態において、熱電子ソースは、ビーム搬送に使用可能な飛行チューブ断面の広さを最大化するために、公称ビーム断面をできる限り近接して配置されている。
【００２４】
特定の実施形態において、熱電子ソースは、分析磁石を通って移動するイオンビームの公称中心の上、またそれにほぼ平行な公称飛行路に沿って延びる長手方向の導電性フィラメントを備えている。フィラメントは、それ故、その長さの実質的な部分に沿う磁束によって、ビームにリンクされて、磁石によってビームの通路の長さの大きい断片に沿って空間電荷を中和するために、熱電子的に電子を放出するのに使用されることが可能である。
【００２５】
複数の離間した長手方向のフィラメントは、ビームの長さに沿って、またビームの幅全域で空間電荷を中和するのに使用される。
【００２６】
さらに好ましい実施形態において、熱電子ソースは、飛行路に沿って離間され、それぞれが公称ビーム幅全域に延びる複数の横方向フィラメントを備えている。
【００２７】
横方向フィラメントは、例えば、ビームの対向する両側の母線に接続されるか、又はヘアピン形状で、ビームの同一側の２つの独立した母線に接続されるかである。ヘアピン形状は、フィラメントが母線の相対移動、又は熱膨張又は収縮などの結果として破壊をこうむるのを少なくするという利点を備えている。
【００２８】
横方向フィラメントは、磁石を通る通路に沿う複数の位置で、ビーム全域で空間電荷が中和されることを可能にするという利点を備えている。
【００２９】
熱電子ソースは、平面であり、例えば、グラファイトシートから機械加工されるか、又は切断されるフィラメントのアレイ又はグリッドを備えている。
【００３０】
ヒートシールドが、十分な温度でソースを維持するために必要な動力を減少するように熱電子ソースと飛行チューブの内側との間に組み込まれており、所望の放出電流を生ずるようになっている。
【００３１】
幅広い様々な材料が、フィラメント用に、又は例えば、タングステンを含有するフィラメント用に使用されることが可能である。
【００３２】
しかし、好ましい実施形態において、グラファイトフィラメントが使用されている。特にイオン注入の用途用には、ビーム打撃の結果としてフィラメントからスパッタされる炭素は、金属原子又はイオンより許容可能なビーム汚染であるので、グラファイトフィラメントが望ましい。
【００３３】
磁石を通って移動するビームが陽イオンを含んでいる場合、熱電子放出された電子は、ビーム空間電荷を直接中和することが可能である。電子は、フラックスラインに沿ってビームに移動し、内側で空間電荷中和に貢献する。
【００３４】
磁石を通って移動する陰イオンを含有するビームの場合、熱電子は、飛行チューブの部分真空の残留ガス原子又は分子をイオン化するのに使用される。熱電子と残留原子又は分子間の衝突によって生成される陽イオンは、このように、ビーム空間電荷の中和に貢献する。
【００３５】
陰イオンビームの中和を促進するために、電荷中性原子又は分子は、熱電子放出された電子によるイオン化のために、飛行チューブに故意に導入される。
【００３６】
ビームに入る熱電子放出された電子は、ビームの内で衝突してエネルギを損失する場合は、一般に、ビームに留まるだけである。そうでない場合は、ビームポテンシャルの谷を脱出するのに十分なエネルギを有し、ビーム空間電荷中和に貢献させる。
【００３７】
イオン又は中性原子との衝突は、弾性的か、又は非弾性的かである。励起及びイオン化のため限界以下の極めて低いエネルギで、極めて小さいエネルギ移動を含む弾性衝突が優位を占め、電子は、簡単に衝突相手をはね返しビームから脱出する。その他の電子との衝突は、より大きいエネルギ移動を必要とするが、衝突断面が極めて小さい。非弾性衝突断面は、負バイアスを熱電子ソースに印加して電子エネルギを増加することによってかなり増加される。そのために好ましい実施形態において、熱電子ソースは、飛行チューブに対して負にバイアスがかけられ、このバイアス電圧は、放出された電子のエネルギを制御するように調節される。
【００３８】
このバイアスにより、ビームへの電子の注入が制御されことが可能になり、さらに陰イオンビームの空間電荷中和の場合に重要であるバックグラウンド（すなわち、残留）ガスをイオン化する必要があるエネルギが提供される。電子放出エネルギの制御は、残留、又は故意に導入された中性ガス原子又は分子と、低エネルギ放出電子との間の衝突によって生成される遅い陽イオンが、電子をトラップするのに役立つので、空間電荷中和の重要な特色である陽イオンビームの場合にも重要である。遅い陰イオンが生成されることは、多くのガスにおいて好ましくないが、それは陽イオン空間電荷の中和を助けるであろう。
【００３９】
陽イオンのビームは、ビームの中心への熱電子放出された電子の入射に対してポテンシャル障壁を提供する陰空間電荷のシースによって囲まれている。ソースにバイアスをかけることにより、この障壁を貫通するために、放出された電子に十分なエネルギを供給する。
【００４０】
特定の用途によっては、この範囲を超える最適な値が期待されることもあるが、３Ｖから７０Ｖの範囲のバイアスが最適であることが分かった。
【００４１】
有利な点として、１つ以上の電子反射電極が、ビームを脱出する電子を逆にビームの方に反射するように、飛行チューブの内側に、公称ビームエンベロープの外側に配置されている。電子反射電極は、熱電子ソースに対して陰電気を帯びてバイアスがかけられ、バイアスが調節可能である。１つの用途において、３Ｖの弱いバイアスが最適であることが分かった。反射電極は、ビームの対向する両側に配置され、ビームボリュームの電子の寿命を延ばすことを可能にする。衝突がない場合、ビームに留まらないエネルギ電子は、対向する反射電極をリンクするフィールドラインに沿って実質的に前後に反射されうる。適用された磁界に垂直な方向における電子の移動が厳しく制限されるので、対向する反射電極間の電子の「閉じ込め」が可能である。
【００４２】
反射電極は平面であり、またグラファイトシートを備えているであろう。反射電極は、実際には、ヒートシールドとしても機能しうる。
【００４３】
本発明の第２の態様によれば、イオンビーム装置が提供され、そのイオンビーム装置は、
イオンのビームを磁石によって受け且つ運ぶための飛行チューブを備えた分析磁石であって、飛行チューブ内に実施的に均一な磁界を生成して、前記均一な磁界の方向に垂直である分散平面の質量／電荷の比によって、ビームイオンを偏向するように作動可能である分析磁石と、
前記ビームの公称飛行路に沿って延びる、前記ビームの公称エンベロープの内側に配置される飛行チューブの内側に熱電子ソースとを備えている。
【００４４】
「エンベロープ」という用語は、ビームを公称としてはね返す立体面を示すのに使用される、すなわち、ビームの公称の広さを表している。公称ビームエンベロープの内側に配置される物体は、その結果、公称的に、ビームによって衝突される。公称ビームエンベロープの内側の物体は、ビームの公称通路内にある。
【００４５】
ビームの内側に少なくとも部分的にソースを配置することによって、ビームポテンシャルの谷を脱出するのに不十分なエネルギを有する低エネルギ電子が放出される。これらの電子は、その結果、かなりの時間ビームに留まり、空間電荷中和に貢献する。再度、放出された電子エネルギは、飛行チューブに対してソースのバイアスを変更することによって制御される。
【００４６】
ビームの内側のソースは、平面であり、又は公称ビーム中心ラインを備える曲線状表面を経て進むフィラメントのアレイを備えることができる。
【００４７】
アレイは、より均一な空間電荷中和を供給するために、ビームの高さ／幅の少なくとも部分を越えて延びることができる。
【００４８】
アレイは、一直線の、曲線の、ヘアピンのような、又はその他の形状のフィラメントを備え、グリッドでありうる。
【００４９】
ソースは、導電性であり、炭素を備え、及び／又は耐熱性の材料を備えることができる。ソースは、電気的に、又はビームによって、又は両方で加熱されるように配置されている。
【００５０】
装置の磁石の下流で、装置の残りに運ばれるビームの汚染を減少するために、公称ビームエンベロープの内側の熱電子ソースの部分（すなわち、ビーム衝突を公称的に受けやすい部分）は、飛行チューブの出口に選択スリットを有して、視界のラインの外になるように配置されている。
【００５１】
本発明の第３の態様によれば、
前記飛行チューブを通って移動するイオンのビームを偏向するために、飛行チューブに磁界を生成するように配置される磁石と、
前記ビームの公称飛行路に沿って延び、前記ビームに熱電子的に電子を放出するように配置される熱電子ソースと、
を備えるビーム装置が提供される。
【００５２】
ソースは、公称ビームエンベロープの外側に配置され、さらに、磁石によって生成される磁束によって、その通路に沿う複数の位置でビームにリンクされるように配置され、又はソースは、公称ビームエンベロープの内側に少なくとも部分的に配置される。ソースは、フィラメントのアレイを備え、装置は、さらに、電子反射電極と、ヒートシールドと、ソース及び反射電極にバイアスをかける手段とを備えている。
【００５３】
本発明の第４の態様によれば、磁石を通って飛行チューブ内を移動するイオンのビームの空間電荷を中和する方法が提供され、その方法が、
ビームの公称断面に隣接又はその外側にあり、ビームの公称飛行路に沿って延びる飛行チューブの内側に熱電子のソースを提供するステップと、
磁石によって生成される磁束により公称飛行路に沿う複数の位置でビームにリンクされるように熱電子ソースを配置するステップと、
熱電子ソースから電子を熱電子放出するステップと、
を備えている。
【００５４】
本発明の第５の態様によれば、磁石を通って飛行チューブ内を移動するイオンのビームの空間電荷を中和する方法を提供し、その方法は、
ビームの内側に熱電子のソースを提供するステップを備え、前記ソースが、ビームに沿って延び、前記ソースから熱電子的に電子を放出する。
【００５５】
磁石は、例えば、分析磁石、走査磁石、その他の目的のためにビームを偏向するように配置される磁石などである。「飛行チューブ」という用語は、イオンビームが移動する磁石内側の空間の領域を単に示すのに使用されていることは明らかである。「飛行チューブ」は、そのような側面を有する必要はないが、一般に、電界がゼロであるように配置される内側に導電性チューブを備えている。
【００５６】
（発明を実施するための最良の形態）
第１の実施形態を、飛行チューブ２を通るほぼ均一な磁束密度Ｂを生成する分析磁石１の極めて概略的な平面図を示す図１を参照して記述する。この実施例において、磁束Ｂの方向は、紙面に向かい且つ当該紙面に垂直であり、そのため、分散平面は、紙面に平行である。
【００５７】
実質的に同一のエネルギを有する陽イオンのビーム３すべては、飛行チューブ２に入り、磁界によって偏向される。この例において、ビームは、飛行チューブに入るときわずかに発散され、分析磁石は、飛行チューブからの出口の下流に配置される選択電極１０の選択スリット１１において所望の質量／電荷の比を有するイオンだけを集束するように配置されている。入射ビーム３からの所望のイオンの磁石を通る通路の公称プロファイルを、破線３１によって境界をつけて示す。図は平面図であるので、この公称プロファイル３１は、さらに、入射ビームの所望のコンポーネントの通路の分散平面上の公称投影部でもある。
【００５８】
異なる質量／電荷の比を有する入射ビームのイオンは、磁石を通って異なる半径の曲線状の通路を経て進み、飛行チューブ２の壁又は選択電極１０に衝突する。
【００５９】
単一の導電性フィラメント５の形状の熱電子ソースは、公称ビーム通路の上の飛行チューブの内側に配置され、フィラメントに衝突し、それをスパッタ腐食するイオンの数を減少する。この実施例において、フィラメント５は、磁石のビーム通路の全長に沿って、またドリフト空間の方に外に延びている。別の実施例において、フィラメントは、より短く、飛行チューブ内に全面的に位置されてもよい。さらに、別の実施形態において、フィラメントは、連続曲線というよりはむしろ複数の直線の部分を備えることもできる。
【００６０】
フィラメント５は、図に示されてない手段によってビームの上の飛行チューブに配置され、ビームの公称中心にほぼ平行に延びている。事実上、この実施形態において、分散平面上へのフィラメントの投影部は、公称ビーム中心ラインの投影部と全く一致している。電源装置９は、フィラメントに熱電子的に電子を放出させるのに十分な温度に加熱するために、フィラメント５に接続されている。フィラメント５の配置により、磁束Ｂにより飛行チューブ２の内側の全長に沿って公称ビームプロファイル３１にリンクされることを確実にする。磁束によって公称ビームプロファイルにリンクされるフィラメントの断面のそれぞれの図を、図２に概略的に示す。さらに、図には、フィラメントから熱電子放出される電子の通路が示されている。図は、この螺旋形の環状コンポーネントの半径を大いに誇張しているが、電子は、フィラメントを通過する磁束に沿って螺線形通路を経て進む。このフラックスもビームをリンクするので、電子は、単にビームに入ることが可能である；適用されたフィールド方向に垂直である電子移動度は、ほとんどゼロである。ひとたびビームの内側に入ると、電子は、ビーム空間電荷を若干中和をすることが可能である。
【００６１】
図１に示されるものと類似する実施形態において、グラファイトフィラメントは、飛行チューブ内側のビームの公称中間光線上に懸垂され、ビームに電子を熱電子放出させるために、ほぼ２０００℃及びそれ以上の温度に電気的に加熱される。２ｋｅＶのホウ素イオンのビームについて、熱電子放出電流を増加するために、フィラメント温度が上げられるので、ピーク強度の増加及び分析磁石から出てくるビームの幅の減少が観察され、結果は、熱電子放出された電子によるビームの空間電荷の中和に起因すると考えられる。しかし、さらに、あまりにも高い放出電流は、実際には、磁石を出てくるビーム電流を減少し、その結果、空間電荷中和を最適化するために、フィラメント温度の制御が望ましいことが観察された。
【００６２】
10Ｂ及び11Ｂ同位元素の入射イオンビームについて、グラファイトフィラメントからの熱電子放出が、１つの同位元素に対応する出ていくビームだけを向上することが分かった。この結果は、分散平面へのフィラメントの投影部と別の同位元素のイオンの通路の投影部との間の不十分な空間オーバーラップに起因すると考えられる。
【００６３】
ビーム全域の空間電荷中和を改良するために、複数の実施的な長手方向のフィラメントが使用されている。このような実施形態を、図３に示す。この実施例において、飛行チューブの磁束によって、その長さに沿って、またその幅全域の複数の位置でビームにリンクされるように、５つのほぼ平行なフィラメントが配置されている。いうまでもなく、あらゆる適切な材料を備えることのできる、フィラメント加熱手段が、飛行チューブの適所にフィラメントを支持する手段として、設けられている（図示せず）。
【００６４】
ビームに沿って、またその幅全域の複数の位置で空間電荷中和を行う別の方法は、図４に概略的に示すように、一連の実質的に横方向のフィラメントを使用している。一般に、横方向フィラメント及び特に、フィラメントへの電気的接続は、長手方向フィラメントよりもエンジニアにとっては簡単である。この実施形態において、フィラメント５は、ビームの長さに沿って互いに間隔が開けられ、各横方向フィラメント５は、公称ビーム幅全域に延び、ビーム飛行路のいずれかの側の母線６に接続する。
【００６５】
フィラメントが、ビームに沿って、またほぼ平面のアレイから配置されている。図では、フィラメント５及び母線６が、電気的に接続される独立したコンポーネントとして示されているが、別の実施形態においては、フィラメント及び母線は、単一のグラファイトシートで形成されている。
【００６６】
電流は、フィラメントを加熱し、またそれらを熱電子的に電子を放出させるために、母線によってフィラメントを通って流される。飛行チューブ２の内側の空間電荷中和装置は、アセンブリ５０に組み込まれ、その断面図が、図５に概略的に示されている。アセンブリ５０のアウタケーシングは、磁石１を通って移動するとき、イオンビームを囲むので、実際には、飛行チューブとも呼ばれることが可能である。ケーシング５０は、導電性であり、外部電界からビームを遮蔽するために、接地されている。フィラメント５は、ケーシング５０及び飛行チューブ２に対して陰電気を帯びてバイアスがかけられ、この負バイアスが、熱電子放出された電子のエネルギを制御するように調節可能である。
【００６７】
図５を参照すると、横方向フィラメント５は、固定され、固定スクリュー５２によって母線６に接続され、飛行チューブの磁界により全幅にわたりビームエンベロープ３２の公称断面にリンクされている。この実施例において、横方向フィラメントは、公称ビーム断面の上に配置され、分散平面から離間され、またそれにほぼ平行な平面に位置している。中和アセンブリ５０は、さらに、フィラメント５と飛行チューブ５０の上部及び下部壁との間に配置されるヒートシールド５１、５１ａを備えている。これらのヒートシールドは、要求された放出電流を生ずるのに十分な温度にフィラメントを加熱するために必要な動力を減少する。
【００６８】
この実施例におけるヒートシールドは、公称ビーム飛行路に沿って、また公称ビーム幅全域に延びるほぼ平面なグラファイトシートである。
【００６９】
インナヒートシールド５１ａは、フィラメント５に対して陰電気を帯びてバイアスがかけられ、磁束ラインに沿って、ビームの方とは逆に、ビームから移動する電子を反射することが可能に、電子反射電極として作用する。このように、フィラメントから放出される電子は、ビームを通過するのに十分なエネルギを有しているが、反射電極は、電子をビームの方とは逆に反射し、その結果、空間電荷中和への貢献を増加する。
【００７０】
インナヒートシールド５１ａに印加されるバイアス電圧が使用可能であり、最適な中和を達成するように調節される。１つの用途に対して、‐３Ｖのバイアス電圧で弱い（weak）最適であることが観察された。
【００７１】
フィラメント５は、例えば、タングステン、グラファイトなどを含有する適切な材料で形成される。特に、イオン注入用途において、フィラメントと衝突し、また材料をスパッタするビームの部分によって生ずるビームの炭素汚染は、金属汚染よりは許容可能であるので、グラファイトフィラメントを使用することが好ましい。加えて、フィラメントをスパッタする結果として生ずる装置の内側の炭素蒸着は、例えば、酸化及び排出によって簡単に取り除かれる。
【００７２】
他方、超越した強さのため、タングステン又は他の金属フィラメントを使用することが望ましい。
【００７３】
別の実施形態において、横方向及び長手方向フィラメントの組み合わせを備える熱電子ソース、例えば、ビーム通路の「上に」配置される細いワイヤメッシュ形状が使用されてうることが明らかである。
【００７４】
一般に、ビームに沿う、またビーム全域のフィラメントの空間周波数が大きければ大きいほど、空間電荷中和の均一度が大きい。
【００７５】
図６は、本発明のさらなる実施形態による中和アセンブリ５０の概略断面を示している。アセンブリのケーシングは任意であるが、この実施例においては、アルミニウムで作成されて、接地されている。ケーシングは、真空飛行チューブ２、又は分析装置磁極自体と一体化されている。
【００７６】
ケーシングの内側において、複数のほぼヘアピンのようなグラファイトフィラメント５は、公称ビーム飛行路に沿って離間され、各フィラメントは、分散平面に平行な、またビームの幅全域の平面に延びている（すなわち、それらは、実質的に、横方向フィラメントである）。手段５２の接続は、各フィラメント５をビームの同一側に配置される母線６に接続することである。フィラメントは、実質的に、平面のアレイを形成する。
【００７７】
飛行チューブ磁界の方向が示され、図の任意の方向付けにおいて、フィラメントは、従って、公称ビーム断面３２に隣接して、またその下に配置されている。
【００７８】
アウタグラファイトヒートシールド５１ｂは、インナサイドヒートシールドとして、接地されている。対照的に、インナ上部及び下部ヒートシールド５１ａは、電子反射電極として作用するために、フィラメント５に対して陰電気を帯びてバイアスがかけられる。
【００７９】
電子反射電極を使用することは、熱電子ソースが公称ビームエンベロープの外側に配置される実施形態における適用可能なビーム空間電荷中和を達成するのに重要な要因である。
【００８０】
支持ポスト５９は、非導電性であり、例えば、アルミナ、アルミナカラーを有するグラファイトなどである。
【００８１】
図７は、図６の実施形態の横方向ヘアピンフィラメント５及び母線６の配置のかなり概略的な平面図を示す。図示するように、母線は、ビームにほぼ平行な曲線状通路を経て進み（すなわち、分析磁石の弧形を経て進む）、またヘアピンフィラメントは、母線に沿って等間隔が開けられている。この実施例において、ヘアピンフィラメントは、いうまでもなく、その他の形状が可能であるが、Ｖ形状である。フィラメントがビームの同一側の母船に接続するヘアピン又はＶ形の形状は、特に、脆性グラファイトフィラメントに好都合である。ビームのいずれかの側の母線に接続される脆性の直線のグラファイトフィラメントは、母線の相対運動及び／又は熱膨張効果の結果として砕けることが多い。ヘアピン形状は、この問題を多少とも解決する。
【００８２】
一般に、使用される横方向フィラメントの数が多ければ多いほど、ビームの空間電荷中和が良くなる。例えば、４０ｃｍの半径を有する分析磁石において、適した空間電荷中和は、約２０のフィラメントを使用して達成されることが可能である。
【００８３】
図８は、熱電子ソースが、飛行チューブ２（又は、ビーム真空チャンバ）の内側に、またビームの公称通路に少なくとも部分的に配置された別の実施形態の部分を示している。熱電子ソースは、飛行チューブ２の上部及び下部の間に「ジグザグ」パターンに配置され、ビームの公称中心ラインに沿って延びるフィラメント５のアレイを備えている。アレイは、この場合、実質的に、ビーム中心に沿って曲線状通路に位置し、ビームの十分な「高さ」を越えて延びている（「高さ」は、適用されたフィールドＢに平行な方向のビームの大きさとして形成される）。
【００８４】
フィラメントは、一連の絶縁物６０によって飛行チューブ２に取り付けられている。
【００８５】
この実施形態において、フィラメント５は、耐熱性材料で形成され、ビームだけで加熱されるように配置されている。別の実施形態において、フィラメントは、少なくとも一部分電気的に加熱され、直列に、又は並列に電気的に接続されている。これら別の実施形態において、フィラメントへの適切な電気的フィードスルーが設けられている。
【００８６】
別の実施形態において、熱電子ソースは、公称ビームエンベロープの内側に少なくとも部分的に配置されるグリッドである。
【００８７】
図９は、別の実施形態の部分の概略断面を示し、熱電子ソースは、ビームエンベロープ３１の公称中心全域にわたって配置されるフィラメント５のほぼ平面アレイを備え、フィラメントは、ビーム通路の両側の母線６によって供給される電流によって電気的に少なくとも一部分加熱される。飛行チューブ２は接地され、フィラメント５のアレイは、ビームに注入される電子のエネルギを制御するために、飛行チューブに対して陰電気を帯びてバイアスがかけられている。
【００８８】
電子反射電極５１ａは、公称ビームエンベロープ３１の上下に配置され、フィラメントアレイ５に対してそれぞれ負にバイアスがかけられている。すべてのバイアス電圧は調節可能である。
【００８９】
低エネルギ放出電子７０は、ビームポテンシャルの谷によりビームに閉じ込められ、よりエネルギの高い電子７１は、ビームから脱出するが、反射電極５１ａによってそれに逆に反射される。
【００９０】
本発明は、分析磁石のビーム空間電荷の中和への用途に制約されるものでなく、例えば、曲げ、又は走査磁石において静的な、又は変更する適用された磁界の別の領域に適用されることは前述の記述から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照にして記述されている。
【図１】  本発明の第１の実施形態の概略平面図である。
【図２】  図１に示される実施形態の一部の概略斜視図である。
【図３】  別の実施形態の概略平面図である。
【図４】  本発明の実施形態の概略平面図である。
【図５】  図４に示される実施形態の一部分の概略断面図である。
【図６】  別の実施形態の一部分の概略断面図である。
【図７】  図６の実施形態の一部分の概略線図である。
【図８】  別の実施形態の一部分の概略斜視図である。
【図９】  本発明の実施形態の一部分の断面図の概略線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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