(57)【要約】磁気または静電質量分析を介してビーム（２０２）の一部を排除する必要なく、ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）（２０２）中のクラスタイオンサイズの分布を測定し、ＧＣＩＢ処理システム（２００）中のクラスタイオンの質量分布および質量流量を決定するための方法および装置である。本発明は、加工品（２１０）の処理前または処理中のいずれかにおいて飛行時間測定手段（２２６）を使用してクラスタイオンサイズ分布を推測またはモニタする。測定情報はＧＣＩＢ処理システムの自動制御装置に表示され組み込まれる。
2004504691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）質量またはクラスタサイズを診断してＧＣＩＢ加工品処理を改良する装置であって、
真空容器、
真空容器内にありガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビームソース、
軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを加速する加速器、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断させ復元させるビームゲート、
軌道に沿って前記ビームゲートから所定の距離Ｌに配置されるビーム流れ測定手段、
軌道に沿って配置されガスクラスタイオンビーム処理のために加工品を保持する加工品保持手段、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断および復元する前記ビームゲートに対してビームゲート信号を提供する制御手段、
前記距離Ｌにわたってガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段、および
ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析して、ＧＣＩＢ質量またはクラスタサイズに対する出力情報を提供するようにする飛行時間分析器、
を備え、
加工品のガスクラスタイオンビーム処理に前記出力情報を利用することを特徴とする装置。
【請求項２】
ガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
飛行時間分析器はガスクラスタイオンビームの成分のサイズまたは質量分布を算出する装置であって、ガスクラスタイオンビームの成分のサイズまたは質量分布を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが中断された際にビームの流れの減衰特性を分析することによってサイズまたは質量分布を算出することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが復元された際にビームの流れの立上り特性を分析することによってサイズまたは質量分布を算出することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
飛行時間分析器がガスクラスタイオンビームの成分のサイズ対電荷比分布を算出する装置であって、さらにガスクラスタイオンビームの成分の質量対電荷比を表示するための表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが中断された際にビームの流れの減衰特性を分析することによってサイズ対電荷比分布を算出することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが復元された際にビームの流れの立上り特性を分析することによってサイズ対電荷比分布を算出することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
ビームの流れ測定手段はビームの流れの信号を収集するためのファラデーカップを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
加速器はガスクラスタイオンビームを約１ｋｅＶから約５０ｋｅＶの範囲の公知のエネルギーへと加速することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
ビームゲートは、平均質量のガスイオンビームクラスタが前記距離Ｌを移動する際の飛行時間よりも短い時間中にビームのオンオフを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）質量またはクラスタサイズを診断してＧＣＩＢ加工品処理を改良する装置であって、
真空容器、
真空容器内にありガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビームソース、
第１の軌道に沿って前記ガスクラスタイオンビームを加速する加速器、
第２の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを偏向させることによって、第１の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームの流れを制御可能に中断し復元するビーム偏向器、
前記ビーム偏向器から所定の距離Ｌに第１の軌道に沿って配置されるビーム流れ測定手段、
第１の軌道に沿って配置されガスクラスタイオンビーム処理のために加工品を保持する加工品保持手段、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断および復元する前記ビーム偏向器に対してビーム偏向信号を提供する制御手段、
前記距離Ｌに沿ってガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段、および
ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析して、ＧＣＩＢ質量またはクラスタサイズに対する出力情報を提供するようにする飛行時間分析器、
を備え、
加工品のガスクラスタイオンビーム処理に前記出力情報を利用することを特徴とする装置。
【請求項１３】
ビーム偏向器は、平均質量のクラスタが前記距離Ｌを移動する際の飛行時間よりも短い時間中にガスクラスタイオンビームを第１の軌道から第２の軌道へと切り替えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
ガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
飛行時間分析器はガスクラスタイオンビームの成分のサイズまたは質量分布を算出する装置であって、ガスクラスタイオンビームの成分のサイズまたは質量分布を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが中断された際にビームの流れの減衰特性を分析することによってサイズまたは質量分布を算出することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが復元された際にビームの流れの立上り特性を分析することによってサイズまたは質量分布を算出することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
飛行時間分析器がガスクラスタイオンビームの成分のサイズ対電荷比分布を算出する装置であって、さらにガスクラスタイオンビームの成分の質量対電荷比を表示するための表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが中断された際にビームの流れの減衰特性を分析することによってサイズ対電荷比分布を算出することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
飛行時間分析器は、ガスクラスタイオンビームが復元された際にビームの流れの立上り特性を分析することによってサイズ対電荷比分布を算出することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
ビームの流れ測定手段はビームの流れの信号を収集するためのファラデーカップを備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項２２】
加速器はガスクラスタイオンビームを約１ｋｅＶから約５０ｋｅＶの範囲の公知のエネルギーへと加速することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項２３】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）質量またはクラスタサイズを診断してＧＣＩＢ加工品処理を改良する装置であって、
真空容器、
真空容器内にありガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビームソース、
軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを加速する加速器、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断させ復元させるビームゲート、
軌道に沿って前記ビームゲートから所定の距離Ｌに配置されるビーム流れ測定手段、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断および復元する前記ビームゲートに対してビームゲート信号を提供する制御手段、
前記距離Ｌにわたってガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段、および
ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析して、ＧＣＩＢ質量またはクラスタサイズに対する出力情報を提供するようにする飛行時間分析器、
を備える装置。
【請求項２４】
ガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）質量またはクラスタサイズを診断してＧＣＩＢ加工品処理を改良する装置であって、
真空容器、
真空容器内にありガスクラスタイオンビームを生成するガスクラスタイオンビームソース、
第１の軌道に沿って前記ガスクラスタイオンビームを加速する加速器、
第２の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームを偏向させることによって、第１の軌道に沿ってガスクラスタイオンビームの流れを制御可能に中断し復元するビーム偏向器、
前記ビーム偏向器から所定の距離Ｌに第１の軌道に沿って配置されるビーム流れ測定手段、
ガスクラスタイオンビームを制御可能に中断および復元する前記ビーム偏向器に対してビーム偏向信号を提供する制御手段、
前記距離Ｌに沿ってガスクラスタイオンビームの成分の飛行時間を測定する飛行時間測定手段、および
ガスクラスタイオンビームの成分の前記飛行時間を分析して、ＧＣＩＢ質量またはクラスタサイズに対する出力情報を提供するようにする飛行時間分析器、
を備える装置。
【請求項２５】
イオンビームの特性を測定する方法であって、
所定の長さを持つ経路に沿ってイオンビームを投射する工程、
イオンビームの流れを収集する工程、
時間ｔ０においてイオンビームを急激に切り替えて流れの過渡事象を生み出す工程、
流れの過渡事象を測定するする工程、および
流れの過渡事象測定を処理してイオンビームの特性を算出する工程、
を備える方法。
【請求項２６】
イオンビームの算出された特性を表示する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
イオンビームがクラスタイオンビームであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
切り替えの急激さは所定の長さにわたって平均イオン飛行時間未満であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
切り替え工程はビームをオフに切り替える工程を備えており、流れの過渡事象は流れの減少であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
切り替え工程はビームをオンに切り替える工程を備えており、流れの過渡事象は流れの増加であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
処理工程は時間ｔ０後に流れの過渡事象の導関数を得る工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
処理工程は、
時間ｔ０後に流れの過渡事象の導関数を得る工程、および
イオンビームが所定の長さに沿って移動するのに必要な時間として定義される時間ｔで流れの過渡事象の導関数を割り算する工程、
をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
クラスタイオンビームの特性はクラスタサイズであることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
クラスタイオンビームの特性がクラスタサイズ分布関数であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
クラスタイオンビームの特性はクラスタサイズ対電荷比分布関数であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は一般にガスクラスタイオンビーム中のガスクラスタのサイズ分布の測定に関し、より詳細には、飛行時間の測定を行うことによってガスクラスタのサイズ分布を測定する装置および方法に関する。
物質表面をエッチング、清浄、および平滑化するのにガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）を利用することは当該分野において公知である（例えばＤｅｇｕｃｈｉらによる米国特許第５，８１４，１９４号を参照のこと）。これを説明すると、ガスクラスタとは標準温度および圧力条件下でガス状である物質のナノサイズの集合体である。このようなクラスタは典型的には、緩やかに結合してクラスタを形成している数個から数千個の分子の集合体からなる。このようなクラスタは電子衝撃または他の手段によってイオン化でき、公知の制御可能なエネルギーの有向ビームを形成させることができる。より大きなサイズのクラスタは、分子当たりのエネルギーがほんの小さいものであるにもかかわらずクラスタイオン当たり実質的なエネルギーを保持することができるためもっとも有効である。クラスタは、個々の分子がそれぞれ全クラスタエネルギーのほんの少しの部分を保持した状態で、衝撃により分解する。その結果、大きなクラスタの衝撃効果は大きいが、非常に狭い表面領域に限られる。このことによりイオンクラスタは、モノマーイオンビーム処理のより大きなサブサーフェス損傷特性を生じるという傾向がなく、さまざまな表面改質プロセスにとって効果的なものとなっている。
【０００２】
このようなＧＣＩＢを形成し加速する手段は上述の参考文献（米国特許第５，８１４，１９４号）に記載されている。現在利用可能なイオンクラスタソースは広いサイズ分布ｎをもつクラスタイオンを生成する（ここでｎはそれぞれのクラスタ内の分子数である。本議論を通じて、アルゴンなどの１価のガスの場合には１価のガスの原子は分子と呼ばれ、このような１価のガスのイオン化原子は分子イオンと呼ばれるかまたは単にモノマーイオンと呼ばれる）。
【０００３】
第一次近似法に従うと、高エネルギークラスタの表面改質効果はクラスタのエネルギーに左右される。しかしながら第二次効果は、クラスタのエネルギーとその質量（従ってクラスタサイズ、ｎ）との両方に左右されるクラスタの速度に左右される。表面処理のためにガスクラスタイオンビームの有用性を最大化するために、クラスタのエネルギーとクラスタサイズまたはクラスタサイズ分布との両方を知って制御することは有効である。ある用途においては、ガスクラスタイオンビームは表面膜の蒸着または成長に利用される。このように利用される場合、加工品への質量流量を知ることは重要である。クラスタの量は、加工品に到達するクラスタイオンの流れを測定することによって簡単に確定することができる。通常の場合には、実際のイオン化クラスタソースからのイオン化クラスタは全部がかならずしも同じ数の電荷を担持しているとは限らない。イオン化条件を適切に選択することによりクラスタイオンが主に単一の電荷を担持するようにでき、このような場合、それぞれの電荷が単一のクラスタに対応していると正確に推定できるが、平均サイズまたはサイズ分布（平均質量または質量分布）もわからない限り、加工品への総質量流量はわからない。ソースの状態を制御することによって、分子イオンに対するクラスタイオンの割合に影響を与えまたクラスタサイズ分布にも同様に影響を与えることも可能である。しかしながら、クラスタサイズ分布、および分子イオンに対するクラスタイオンの割合を測定してモニタする手段が入手できない限り、イオン化クラスタサイズに影響を与えるためのソース状態を有意義に調整し制御することは困難である。イオン化クラスタ全部が主に単一の電荷または既知数の電荷を担持しているわけではない場合、電荷当たりのイオン化クラスタの質量を知ることもまた、平滑化、エッチング、または他の処理に対するビームの有効性を制御または調整するための有効なパラメータとして利用することができる。
【０００４】
これらおよびその他の理由により、ガスクラスタイオンビームについてのクラスタサイズ分布情報を提供することのできる、または、ガスクラスタイオンビームの電荷当たりのクラスタサイズ分布または電荷当たりのクラスタ質量分布についての情報を提供することのできる測定手段を設けることは有効である。
【０００５】
分子イオンはクラスタイオン同様、現在利用可能なクラスタイオンビームソースによって生成されるため、これら分子イオンはクラスタイオンとともに処理中の加工品へと加速されて輸送される。分子イオンはエネルギーが高く質量が小さいため速度が速くなり、軽量の分子イオンに表面を貫通させて、処理の妨げとなりやすい大きな損傷を生み出す。このようなサブサーフェスイオン損傷はより伝統的なモノマーイオンビーム処理分野から十分に立証されておりまたよく知られており、さまざまな大きな損傷および望ましくない注入を引き起こす。
【０００６】
イオンクラスタビーム分野においては、イオンクラスタビームから分子イオンを排除するための手段をＧＣＩＢ処理設備に組み込むことにより多くのＧＣＩＢ処理が恩恵を受けることがわかってきている。より重いクラスタイオンのビームから軽量のイオンを除去するために静電（Ｋｎａｕｅｒによる米国特許第４，７３７，６３７号を参照のこと）および電磁（米国特許第５，１８５，２８７号において従来例として引用されている、Ａｏｙａｇｉらによる公開公報第ＪＰ０３−２４５５２３号を参照のこと）質量分析器が利用されてきた。静電および電磁質量分析器はまた、より広い質量分布を有するビームから狭い範囲のイオン質量をもつイオンクラスタを選択するためにも採用されてきた。
【０００７】
現在実用されているＧＣＩＢソースは、利用可能なクラスタイオンの流れが制限されている状態で広いイオンクラスタサイズ分布を生み出す。従って、単一のクラスタサイズまたは狭い範囲のクラスタサイズを選択することによってＧＣＩＢ処理を行うことは実用的ではない。このようなビームの利用可能なフルエンスは生産的な処理を行うにはあまりにも低い。ビームから分子イオンおよびその他のもっとも質量の小さなイオンだけを排除し、後に残ったすべてのより重いイオンを処理に利用することが好ましい。実際の実験により、典型的なクラスタサイズ分布特性（典型的なソースでは小さなサイズのクラスタはほとんど生成されない）に依存してビーム中の小さなクラスタ（ｎ＝２から〜１０）を制限しながら、ろ過を設けて分子イオンを排除すれば十分な場合がしばしばあることが証明されている。サイズｎが１０より大きなクラスタは適切な大きさであり、ほとんどの処理において容認できる結果をもたらす。典型的なクラスタ分布はｎ＝数千までのクラスタを有しており１００未満の質量のクラスタはほとんどないため、もしサイズが１００までのクラスタが分子イオン排除処理中にビームから除去されてもあまり有害ではない。しかしながら、ガスクラスタイオンビームの処理有効性を適切に推測するためには、ビーム中の質量分布またはクラスタサイズを知り、分子イオンおよびもっともサイズの小さいクラスタイオンが存在するかどうかを知ることが非常に望ましい。
【０００８】
従って本発明の目的は、ＧＣＩＢ中の平均クラスタイオンサイズまたは質量を測定する方法を提供することにある。
本発明の目的はまた、磁気または静電質量分析を介してビームの一部を排除することを必要とせずに、ＧＣＩＢ処理システム中のクラスタサイズ（または質量）分布またはクラスタイオンの質量流量を決定する手段を提供することである。
本発明の目的はまた、ＧＣＩＢ中に望ましくない分子イオンが存在するか存在しないかを判断することである。
【０００９】
発明の要旨
本発明の上述の目的、ならびにさらなるおよびその他の目的および利点は以下に記載の本発明の実施態様によって達成される。
【００１０】
本発明においては、ガスクラスタのためのイオン化システムにおいて生成される分子およびクラスタイオンが主に単一の電荷を担持しており、このようなイオンが公知の加速電位を介して加速されるようにされていることが好ましい。これに基づいて、本発明の装置において生成されるＧＣＩＢ中のイオンは、クラスタサイズまたはイオンがクラスタか分子イオンかに関係なく、分子イオンおよびクラスタイオンの両方ともについてイオン当たりのエネルギーがわかって制御可能である。イオンはすべて純ガスから生成されるため、それぞれの分子の分子量がわかる。従って、既知の距離にわたって既知のエネルギーをもつ既知のイオンの飛行時間を測定することにより、本発明によるとビーム中のイオンについてクラスタサイズ分布関数を計算することが可能である。あるいは、ガスクラスタイオン化システムにおいて生成されるすべての分子およびクラスタイオンが主に単一の電荷を担持するようにすることが実用的でないかまたは望ましくない場合は、本発明においては、イオンの飛行時間を測定することによりイオンの電荷当たりのクラスタサイズを計算する。この飛行時間は、ＧＣＩＢが急激に終了とされたときにＧＣＩＢの流れの減退を分析することによって決定される。
【００１１】
適切なビームゲート方法を提供して従来のＧＣＩＢ処理装置に適当な検知装置を導入することにより、本発明はＧＣＩＢ中のイオンの質量およびクラスタサイズ分布を本来の場所で（ｉｎ ｓｉｔｕ）測定できるようにする。本発明は、ＧＣＩＢ中の平均クラスタサイズ（または質量）、またはクラスタサイズ（または質量）分布のいずれかを測定することができる。
【００１２】
本発明をその他のおよびさらなる目的とともによりよく理解できるようにするために、添付の図面を参照しまた詳細な説明およびその範囲を添付の請求の範囲において指摘する。
【００１３】
好適な実施態様の詳細な説明
図１は、一般に入手可能なＧＩＣＢソースによって生成される典型的なイオンクラスタサイズ分布を示す。サイズの小さいクラスタをほとんど生成しないように（Ｎの値が２から約１０）クラスタ形成プロセスが示されてきた（Ｎ．Ｋｏｆｕｊｉら、ガスクラスタソースの開発およびその特性（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇａｓ ｃｌｕｓｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）、Ｐｒｏｃ．１４ｔｈ　Ｓｙｍｐ．、イオンソースおよびイオンにより手助けされる技術（Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｉｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、東京（１９９１年）、１５頁）が、クラスタが大きくなるほど（ｎ＞数十から数千まで）分子イオン（ｎ＝１）は大量に生成される。Ｙａｍａｄａによる米国特許第５，４５９，３２６号の教示より、クラスタ中の分子は単独では表面に著しく貫通するのに十分な高エネルギーではなく（約数電子ボルト）、それぞれの分子イオンが約数千電子ボルトを持つ場合がある他の種類のイオンビーム処理が典型的に伴うような残留表面損傷を引き起こすことはないことが知られている。それにも関わらず、ＹａｍａｄａおよびＭａｔｓｕｏによるクラスタイオンビーム処理（Ｃｌｕｓｔｅｒ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、Ｍａｔｌ．　Ｓｃｉｅｎｃｅ、半導体処理（ＩＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉ）、（１９９８年）、２７頁から４１頁によると、クラスタ自体を十分に高エネルギーとすることができ（数千電子ボルト）、これにより効率的に表面をエッチング、平滑化または清浄することができる。
【００１４】
図２は従来技術において公知の形状を持つＧＣＩＢ処理装置１００の典型的な構造を示す。この処理装置は以下のように説明することができる。真空容器１０２が３つの連通チャンバ、すなわちソースチャンバ１０４、イオン化／加速チャンバ１０６、および処理チャンバ１０８に分割されている。３つのチャンバはそれぞれ真空ポンプシステム１４６ａ、１４６ｂ、および１４６ｃによって真空排気され適切な動作圧力とされる。凝縮可能なソースガス１１２（例えばアルゴンまたは二酸化窒素Ｎ２）がガス供給管１１４を通じて圧力下で貯留チャンバ１１６へと入れられ、適切な形状とされたノズル１１０を通じて実質的により低い圧力真空へと排気される。その結果、超音波ガス噴射１１８が得られる。噴射の拡張により生み出される冷却によりガス噴射１１８の一部がクラスタに凝縮し、これらはそれぞれが数個から数千個の緩やかに結合した分子から成る。ガスすくい取り開口部１２０がクラスタ噴射に形成されなかったガス生成物をクラスタ噴射から分離して、このようなより高い圧力が有害となる可能性のある下流領域の圧力を最小にする（例えばイオナイザ１２２、高圧電極１２６、およびプロセスチャンバ１０８）。適切な凝縮可能なソースガス１１２としてはアルゴンに限定されず、窒素、二酸化炭素、酸素およびその他のガスがあげられる。
【００１５】
ガスクラスタを含有する超音波ガス噴射１１８が形成された後、クラスタはイオナイザ１１２内でイオン化される。イオナイザ１２２は典型的には電子衝撃イオナイザであり、これは１つ以上の白熱フィラメント１２４から熱電子を生成し電子を加速してガス噴射１１８内のガスクラスタと衝突させるものであり、この場合、噴射はイオナイザ１２２を通過する。電子衝撃は電子をクラスタから排出させ、クラスタの一部を陽性にイオン化させる。一組の適切にバイアス化された高圧電極１２６がイオナイザからクラスタイオンを抽出し、ビームを形成し、そしてこれらクラスタイオンを所望のエネルギー（典型的には１ｋｅＶから数十ｋｅＶ）に加速しそして収束させて、初期軌道１５４を持つＧＣＩＢ１２８を形成する。フィラメント電源１３６は電圧ＶＦを提供してイオナイザフィラメント１２４を加熱する。陽極電源１３４は電圧ＶＡを提供して、フィラメント１２４から放射される熱電子を加速してこれら熱電子にクラスタ含有ガス噴射１１８を攻撃させてイオンを生成する。抽出電源１３８は電圧ＶＥを提供して高圧電極をバイアスし、イオナイザ１２２のイオン化領域からイオンを抽出してＧＣＩＢ１２８を形成する。加速器電源１４０は電圧ＶＡＣＣを提供してイオナイザ１２２に対して高圧電極をバイアスし、総ＧＣＩＢ加速エネルギーがＶＡＣＣに等しくなるようにする。１つ以上のレンズ電源（例えば１４２および１４４が示されている）を設けて電位（例えばＶＬ１およびＶＬ２）で高圧電極にバイアスをかけＧＣＩＢ１２８を収束させてもよい。
【００１６】
半導体ウェハ、基板上の薄膜、またはＧＣＩＢ処理によって処理されるその他の加工品であり得る加工品１５２が、ＧＣＩＢ１２８の経路に配置されている加工品ホルダ１５０に保持されている。ほとんどの用途では大型の加工品の処理を空間的に均一となるように意図しているため、走査システムは広い領域にわたってＧＣＩＢ１２８を均一に走査して空間的に均一となるようにすることが望ましい。２対の垂直方向に向けられた静電走査板１３０および１３２を利用して、所望の処理領域にわたってラスターまたは他の走査パターンを生み出すことができる。ビーム走査が行われる場合、ＧＣＩＢ１２８は加工品１５２の全表面を走査する走査ＧＣＩＢ１４８に変換される。
【００１７】
図３はクラスタサイズを測定するための、本発明のいくつかの基本的な概念を示している。ビームゲート装置（ここでは例えば機械的シャッタとして示されている。これの異なる実施態様は後により詳細に説明する。）は迅速にビームを遮断するかまたは復元する。ビームがビームゲートによって遮断される場合、これにより空間には上流位置に（例えばイオナイザの出口に）イオン化ビームの円筒が残され、そして加工品に向かって移動し続け、ここでファラデーカップドシメータのような流れ測定装置によって測定することができる。そしてファラデーカップへの流れは、最も軽量のクラスタがシャッタからファラデーカップまでの距離Ｌを移動するまで一定であり続け、そして、もっとも重いクラスタがこの同じ距離Ｌを移動し終えるまでにゼロに低下すると予測される。ファラデーカップにおいて測定される流れは、平均的なサイズのクラスタが距離Ｌを横断するのに必要とされる時間の間に初期値の半分に落下する。言い換えると、半分の流れの遅延時間は数式１によって得られる。
数式１
2004504691.tif 000003
ここでＮは平均クラスタサイズ、ｍｐは陽子の質量、およびｍａはクラスタの単一分子の原子質量単位の質量、ｑはイオン電荷（＝ｅ、電荷）、およびＶＡＣＣはイオンの加速電圧である。当然のことながら、数式１を反転させてＮを決定することができる。
数式２
2004504691.tif 000004
これをより深く検証するため、クラスタ数分布は通常の（ガウス）分布に従って分布していると仮定することにより、単一のモデルを開発した。この場合、クラスタサイズ分布ｆ（ｎ）は、
数式３
2004504691.tif 000005
ここでσは分布の標準偏差である。われわれは、クラスタ中には負数の分子を持つクラスタが存在しないことを確実なものとしなければならない。従ってわれわれは、
Ｎ−３σ＞＞０　数式４
を必要とする。
【００１８】
担持されている流れの観点からするとより軽量のクラスタはより重いクラスタよりも速く移動するが、カラム中のより軽量なクラスタの密度はより低くこの差異を相殺する。従って、このモデルでは、特定サイズのクラスタによって担持されている流れはガウス確率に比例する。流れはそれぞれのクラスタ集団が経路Ｌを移動し、全部がファラデーへと通過するに従って低下する。
【００１９】
本発明によると、図４に示されるような改良ＧＣＩＢ装置は固定ＧＣＩＢ、およびビームに対してウェハを走査するための機械的に走査される加工品ホルダを持っている。図４に示される本発明のＧＣＩＢ処理装置２００を参照すると、実質的に固定のＧＣＩＢ２０２が半導体ウェハ、金属基板などである加工品２１０に向けられている。
【００２０】
加工品２１０はＸ−Ｙ位置決めテーブル２０４に保持されており、Ｘ−Ｙ位置決めテーブル２０４は加工品を２軸方向に移動させてＧＣＩＢ２０２に対して効率的に加工品２１０を走査するように操作可能である。ＧＣＩＢ２０２は加工品２１０の表面上の投射衝撃領域２３０において加工品２１０に衝突する。Ｘ−Ｙ運動により、テーブル２０４はＧＣＩＢ２０２の経路において加工品２１０の表面のそれぞれの部分を位置決めすることができ、加工品２１０の表面のあらゆる領域を投射衝撃領域２３０に一致させてＧＣＩＢにより処理されるようにする。Ｘ−Ｙ制御装置２１６は、電気ケーブル２１８を介してＸ−Ｙ位置決めテーブル２０４に電気信号を提供して、Ｘ軸およびＹ軸方向それぞれの位置および速度を制御するようにする。Ｘ−Ｙ制御装置２１６は、図示しない全体のシステム制御装置から制御信号を受け取る。Ｘ−Ｙ位置決めテーブル２０４は、従来のＸ−Ｙテーブル位置決め技術に従って連続的運動または段階的な運動によって移動し、投射衝撃領域２３０内に加工品２１０の異なる領域を位置決めする。位置決めテーブル２０４の加工品保持表面２０６は導電性である。加工品２１０の上流においてＧＣＩＢ２０２を取り囲んでいる円筒型の筐体２２０は導電性である。加工品保持表面２０６および円筒型筐体は一緒になって効率的にファラデーカップアセンブリ２３２の形状を備えて、加工品２１０および加工品保持表面２０６に到着するＧＣＩＢの流れを収集するようになっている。加工品保持表面２０６および円筒型筐体２２０は電気リード２２２によって互いに電気的に接続されている。位置決めテーブル２０４の電気的絶縁層２０８が加工品２１０および加工品保持表面２０６を位置決めテーブル２０４の他の部分から隔離している。加工品２１０に衝突するＧＣＩＢ２０２によってファラデーカップアセンブリに誘導される電荷は電気リード２２２を介してクラスタサイズ測定システム２２６に導かれ測定される。イオン化ビーム切り替えビームゲート２１２はＧＣＩＢ２０２の経路に配置されている。ビームゲート２１２はイオン化ビームを通過させるように開放状態となり、イオン化ビームの流れを止めるために閉鎖状態となる。制御ケーブル２２４はクラスタサイズ測定システム２２６からビームゲート２１２へと制御信号を導く。この制御信号は制御可能にビームゲート２１２を開放状態または閉鎖状態に切り替えて、イオン化ＧＣＩＢがファラデーカップアセンブリ２３２へと通過できるまたはできないようにする。飛行距離２２８は符号Ｌによって符号化されており、イオンがビームゲート２１２の有効な部分とファラデーカップアセンブリ２３２の有効な位置との間を飛行する距離を表わしている。ビームフィルタ２１４が好ましくは、ただし必ずしもそうでなければならないわけではないが、設けられてＧＣＩＢ２０２から分子イオン、または分子イオンおよび軽量のクラスタイオンを排除する。ビームフィルタは、例えば米国特許第５，１８５，２７２号または米国特許第４，７３７，６３７号に記載されているような従来の技術を利用している。
【００２１】
クラスタサイズ測定システム２２６はさまざまは方法で達成することができ、またその制御システムの一部としてプログラム可能なコンピュータシステムのすべてまたは一部を備え得ることがわかる。Ｘ−Ｙ制御装置２１６はその論理回路の一部としてプログラム可能なコンピュータシステムのすべてまたは一部を備え得る。Ｘ−Ｙ制御装置２１６およびクラスタサイズ測定システム２２６論理回路のいくつかまたは全部は、ＧＣＩＢ処理装置２００の他の部分も制御する小型汎用コンピュータ（具体的に図示はされていない）によって行うことができる。動作時には、ＧＣＩＢが確立され、クラスタサイズ測定システム２２６は、ビームゲート２１２を急激に閉鎖して急激にファラデーカップアセンブリ２３２へのイオン化ビームの流れを遮断するよう指示する信号を送信する。クラスタサイズ測定システム２２６は、ビームゲート２１２が閉鎖されてからビームの流れが停止してファラデーカップアセンブリ２３２によって収集される間に、ファラデーカップアセンブリ２３２によって収集されるＧＣＩＢの流れの時間変動Ｉを測定する。これにはすべての（もっとも速いものからもっとも遅いものまで）イオンの距離Ｌの飛行時間が含まれる。クラスタサイズ測定システム２２６は流れおよび時間情報を処理して、ＧＣＩＢ中の平均クラスタサイズおよび／または質量を測定し、および／またはクラスタサイズおよび／または質量分布を測定する。処理および測定は後に教示する本願の他の原理に従って行われる。表示システム２４０は測定システム２２６から処理情報を受け取り、デジタルおよび／または図表によるクラスタサイズおよびクラスタサイズ分布特性を表示する。
【００２２】
図４は流れを収集する手段としてファラデーカップアセンブリ２３２を一例として示しているがこれに限定されるわけではなく、本発明においてはさまざまな他の流れ収集装置を利用することができることがわかる。ビームゲート２１２が高圧電極１２６の下流の特定の位置に示されており、一例としてただしこれに限定されるわけではないが、図８により詳細に示さているリペラ電極ゲートに類似のタイプであると示されているものの、本発明の有効な動作のためにはイオンの流れを急激にゲートオフおよびゲートオンするさまざまな手段および位置が許容されることがわかる（いくつかは以降に説明する）。本発明にとっては、イオンの流れを急激にゲートオフおよびゲートオンする上流の手段、および、イオン飛行距離Ｌによって分離されているイオンの流れ、ゲート、および測定の時間関係を測定する下流の手段を備えることが重要である。
【００２３】
図５は、クラスタ当たり３０００アルゴン分子のピーク（平均）を持つ分布および４００分子の標準偏差を持つ２０ｋｅＶビームについて流れの遮断をシミュレートするコンピュータモデルから得られた結果を示している。５０パーセント点は分布のピークの移動時間に非常に密接に対応しており、対称ガウスの平均値である。流れの１０から９０パーセントの立下り時間は分布の幅に左右される。図６は図５に類似のビームの流れの遮断を示しているが、ただし９００分子標準偏差を持っている。立下り時間がより遅いことが明白である。しかしながら、５０パーセントラインについての分布は対称ではなく、これは単純時間導関数が初期分布には戻らないであろうことを表している点に留意すべきである。
【００２４】
当然のことながら、エネルギーおよび平均クラスタサイズが変化するにつれて、５０パーセント点への時間は変化する。図７はクラスタ当たり１５００分子の平均およびやはり４００分子の標準偏差を持つ２０ｋｅＶビームの流れの遮断を示している。この場合、５０パーセントポイントは約６７μ秒へと移動している。
【００２５】
図５から図７は、本発明に利用されるビームゲートの要件を理解する手助けとなる。われわれが主に平均クラスタサイズに興味を持つ場合は、シャッタ閉鎖は５０パーセント遅延時間と比較して迅速でなければならない。このようなビームゲートは例えば５μ秒未満の切り替え時間を必要とする。クラスタサイズ分布についての情報を抽出するためには、ビームゲート切り替え時間は流れの立下り時間と比較して迅速である必要がある。この場合、閉鎖時間は例えば１μ秒以下でなければならない。
【００２６】
図８は実際の電子ビームゲートの設計を示している。充電されたビームリペラ電極がビーム経路に追加されてビームゲートとして機能している。抵抗器は通常はこの電極を接地する。しかしながら、スパークギャップがトリガされると、０．００３μＦキャパシタが１０ｋｏｈｍレジスタへと放電されて電極を＋３０ｋＶまで引き上げる（２０ｋＶビーム加速電圧ＶＡＣＣよりも大きくなるように選択されている）。このことでイオン化ビームを撃退し、電極開口部を通過しないようにする。その後キャパシタはＲＣ時定数によって放電し（数１００マイクロ秒）、最終的には１Ｍｏｈｍ抵抗器を再充電して復元させる。
【００２７】
図８に示されるリペラ電極は図示されるように独立した電極であるか、または、図４に示される一組の高圧電極１２６に組み込まれていてもよいことがわかる。後者の装置においては、１０ｋｏｈｍ抵抗器が接地ではなく電源に戻る。もしリペラ電極の電圧の呼び出し信号（ｒｉｎｇｉｎｇ）を最小にする必要があれば、放電回路の何らかの制動装置（ｄａｍｐｉｎｇ）を追加してよい。この制動抵抗は低いが、それは、回路の浮遊容量およびインダクタンスを非常に低くすることができるためである。いずれの場合においても、１μ秒の立下り時間は容易に達成することができる。従来のスパークギャップはこの動作（蓄積エネルギー１ジュールまで）に簡単に対処することができ、数ヘルツで反復して脈動することができる。必要とされるスパークギャップは小さく、比較的安価で市販されている。もう一つの重要事項は０．００３μＦコンデンサである。これは幾分大きくスパークギャップとほぼ同程度の価格であるが、市販されている。
【００２８】
イオン化ビームをゲートするその他の方法は、イオナイザからビームを遮断するか抽出することである。この方法の一例を図９に示す。この場合、水素サイラトロンを利用して抽出電圧を遮断する。貯蔵されたエネルギーはリペラ電極設計の場合よりもさらに小さくコンデンサ要件はあまり必要とされない。従来の「ドアノブ型」コンデンサは容易に入手することでき利用することができる。ガラス製の水素サイラトロンは数十ドルであり、単純な固体状態のトリガ電子によって１０ヘルツ台で切り替えることができる。浮遊容量およびインダクタンスはリペラ電極の場合よりもより重要であるが、呼び出しの防止は従来の方法によって簡単に行うことができる。より大きな問題は、抽出電圧における消耗浮動が大きな過渡事象を受け、これによりその信頼性が低下するという事実である。抽出切り替えを行うためのその他の方法はイオナイザの出口にさらに電極を設けてこれを大きく脈動させることである。
【００２９】
図１０はイオン化ビームを、イオナイザをオンオフすることによってゲートする例を示している。ここでは、負のフィラメント電位（図１０ではＶｆｉｌａｍｅｎｔの負極側であり、図２および図４のＶｆの負極側に対応している）に切り替えられている熱イオンフィラメントから電子を抽出するために、イオナイザの陽極バイアス電圧Ｖｂｉａｓ（図２および図４のＶＡに対応している）を使っている。これによりこれらのフィラメントからどのような電子放射も効率的に終了させ、非常に迅速にクラスタのイオン化を中断させると思われる。しかしながら、切り替え時間はイオン化クラスタの移動時間により、イオナイザ１２２の長さ未満（例えば１．５インチ）に制限される。これにより切り替え時間は約５μ秒となり、これは平均質量を決定するには適しているがサイズ分布を検討するには限界である。回路は加速度電位では浮遊しているため、例えば図１０に示される５００ｐＦの阻止コンデンサを使って、絶縁ゲート双極性トランジスタ（ＩＧＢＴ）が接地電位からトリガされる。あるいは、３０ｋＶの絶縁パルス変成器または他の従来の方法を利用できる。パルス変成器は、いかなる抽出電圧ターンオン過渡事象または抽出カラムにおけるアーク放電による過渡事象からもＩＧＢＴを絶縁させるという利点がある。前の部分で述べた追加の電極にこの同じ回路を利用できる点に留意すべきである。すべてのイオンを阻止するには数百ボルトが適している。
【００３０】
図１１は他の実施態様によるＧＣＩＢ処理装置３００を示している。処理装置３００において、イオン化ビームのゲートはＧＣＩＢ１２８を偏向切り替えすることによって行われている。この実施態様では、一対の偏向板３０２が高電圧偏向パルス３０８を受け取り、ガスクラスタイオンビームをその当初の軌道からそらせる電界を形成している。偏向パルス３０８は測定システム２２６によって形成され、飛行距離２２８、Ｌ、にわたってもっとも遅いクラスタイオンの飛行時間よりも大きな持続時間Ｔｐｗを持っている。変更パルス３０８は典型的には約数キロボルトの、ＧＣＩＢ１２８をその当初の軌道３０４から第２の軌道３０６へと偏向させるのに十分な振幅−Ｖｄを持っている。ＧＣＩＢの当初の軌道３０４は、加工品２１０を処理するために、加工品の表面上にある投射衝撃領域２３０において加工品２１０に衝突する。投射衝撃領域２３０はビームの流れを収集するためにファラデーカップアセンブリ２３２内である。測定システム２２６が時間ｔ０において偏向パルスにより偏向器を起動させる場合は、ＧＣＩＢの当初の起動は第２の軌道３０６へと偏向される。第２の軌道３０６はファラデーカップアセンブリ２３２の外側にあるビームストッパ３０８に衝突する。偏向パルス３０８の立上がりおよび立下り時間は短時間であるため（約１マイクロ秒以下）、急激にＧＣＩＢをファラデーカップアセンブリ２３２の内外へと偏向させる。ファラデーカップアセンブリは流れのセンサとして機能している。ファラデーカップアセンブリ２３２によって検知された流れは電気リード２２２上の測定システム２２６へと導かれる。偏向器がビームをファラデーカップの内外へと切り替える場合、ファラデーカップアセンブリ２３２によって収集される流れにおいて対応する立上りまたは立下りは、本発明の方法に従って測定システムにより処理され、ＧＣＩＢクラスタサイズまたはクラスタサイズ分布情報は表示システム２４０に表示される。
【００３１】
ビームの流れを迅速にオフまたはオンするための他の手段があるが、とりわけ１つがある程度考慮するに値する。抽出電極セットにおいては時折アーク放電が発生するのが普通である。これによりビームの流れが瞬時にドロップアウトされる。このような通常発生するビームのドロップアウトを検出しビーム流れ遮断過渡事象を測定することにより、クラスタサイズを飛行時間から見積もることができる。流れの低下のタイマーはアーク放電からトリガされ、ファラデーまたは他の流れ検知器におけるドロップアウトまでの時間が測定される。
【００３２】
イオン化クラスタイオンビームを遮断し、測定された流れへの効果を判断するためには多数の技術を利用することができる。例えば、ただしこれに限られるわけではないが、ゲート技術がこれまで提供されており、当業者であればビームを急激にゲートするための方法を多数思い付くであろう。ファラデーカップまたは他のビーム検知システムは、機械的に走査された平滑器のために設計されてきたものであるが、図５から図７に示される信号を性格に記録するのに十分速くなければならない。このことは従来の設計により達成することができる。もっとも難しい要素はいくつかの利用可能な実用的方法によるビームの切り替えである。イオン化切り替えは簡素であるため好ましい方法であるが、リペラ電極（図８）を使った活性ゲートおよびビーム偏向法（図１１）もやはり両方とも簡素であり有効である。小さな改変を行うことによりイオナイザの出口にさらなる切り替え電極を設けることができ、この場合はイオン化切り替えと同じ回路を利用する。この方法は、イオナイザに課せられる有限移動時間による制限を克服する。適切なソフトウェアを書き込んで平均クラスタサイズおよび分布幅を測定することができ、これについては以下でより詳細に説明する。クラスタサイズおよび分布情報は、加工品処理の前にビームをセットアップし調整する最中には最も役立つが、適切な回路は、機械的走査のオーバー走査時間中に流れおよびクラスタサイズの両方を測定することもできる。
【００３３】
以上、イオン化ビームを急激にゲートオフすると、ビーム中のクラスタの平均質量を決定することができる信号をファラデーカップにおいて得ることができると説明してきた。以下の説明では、信号からどのようにしてすべてのクラスタ数分布を抽出するかを説明する。クラスタ数分布は、クラスタを形成している分子の質量を掛け算することによってクラスタ質量分布に簡単に変換することができる。この説明ではビームがゲートオフされる場合のビーム遮断流れ立下り信号の測定および処理について言及するが、ビームが急激に復元（ゲートオン）される場合にこれと全く同じ状況が発生し、本発明を達成するための手段としてビーム復元流れ立上がりの測定および処理を全く同じように利用できることが簡単にわかる。
【００３４】
すでに説明したように、ビームを遮断する切り替えは距離Ｌにわたるイオン飛行時間と比較すると非常に速くなければならない。ゲート直後、ビームは質量およびゲートからファラデーカップまで移動する速度がさまざまなイオン化クラスタの円柱からなる。ファラデーカップによって受け取られるビームの流れＩは、もっとも小さく、それゆえにもっとも速いクラスタがゲート点からファラデーカップへの距離を移動すると遮断し始める。もっとも大きな（もっとも遅い）クラスタがこの同じ距離を移動すると、流れは完全に遮断される。切り替えを行うための技術はこれまでに多数議論された。議論を簡単にするために、ここではクラスタが高圧電極の出口でゲートされるため、臨界経路長さは高圧電極の出口のゲートとファラデーカップとの間の距離Ｌであると仮定する。ガウス数分布については、ファラデーにおけるビームの流れは、
数式５
2004504691.tif 000006
となり、ここでＮはクラスタ当たりの平均分子数であり、σは標準偏差であり、数式６
2004504691.tif 000007
ここでｖ（ｎ）はｎ個の分子を持つクラスタの速度である、すなわち、
数式７
2004504691.tif 000008
である。特定のサイズクラスタｎは、
数式８
2004504691.tif 000009
までは流れに影響を与えることはない点に留意すべきである。
所定の時間ｔにおいては、流れに影響を与えるクラスタサイズは
数式９
2004504691.tif 000010
であり、ここでｍｐは原子質量単位を表わし、ｍａはクラスタが形成されるそれぞれの原子または分子のタイプの原子質量数を表わし、ｎはクラスタ中の分子数（１価ガスの場合は原子数）を表わす。
【００３５】
流れについて離散変数ではなく連続変数によってわれわれが結果を見積もる非常にさまざまなサイズのクラスタが存在すると仮定する。この場合、流れは
数式１０
2004504691.tif 000011
となる。
【００３６】
この数式の負の導関数を利用すると
数式１１
2004504691.tif 000012
または、
数式１２
2004504691.tif 000013
が得られる。
【００３７】
この導関数にはどこにも分布がガウスまたはその他の形式であるとする仮定がなかった点に留意すべきである。従って、より一般的には標準化確率分布は
数式１３
2004504691.tif 000014
となる。
分布は、数式９によって与えられたｎに対して作成されねばならない点に留意すべきである。
【００３８】
上述の導関数は、クラスタはすべて同じ電荷ｑ、複数の単位電荷ｅを持つと仮定した。しかしながら一般には、クラスタは両方のサイズｎおよび電荷ｑの分布をもっている。現在のところ、これらの分布は簡単に分離できない。その結果、この場合飛行時間測定は同時分布を測定する。粒子の速度はｎ／ｑ（数式８）に左右され、ｎ（数式９）の解答はちょうどｎ／ｑの関数の場合のように簡単に表現できる点に留意すべきである。これは加速システムの静電性質の結果である。いずれの場合においても、上述の導関数はすべて、確率分布関数が単なるｆ（ｎ）ではなく同じようにｆ（ｎ／ｑ）となる点を除いて上述のようになる。このように一般化すると測定の有効性がいくらか低くなるものの、飛行時間由来ｆ（ｎ／ｑ）分布は商業生産設備において動作の一貫性を決定し、設備の動作パラメータのセットアップを簡素化して一貫した処理を行うようにするには非常に有効である。さらに、低いレベルでクラスタイオナイザを動作させてクラスタがそれぞれ単一の電荷以上を得ることはないようにすることによりサイズ分布を別々に推察することもしばしば可能である。このような場合、ｑはすべてのクラスタイオンについて同じであるという仮定が正当化される。
【００３９】
クラスタイオンビームの急激なゲートオフをシミュレートすることによって上述のようなクラスタサイズの抽出を行うためにコンピュータシミュレーションが書かれてきた。コンピュータは、上述のガウス確率分布または以下の形式のポアソン分布を使って、離散合計（数式５）に基づいて流れの遮断信号を発生する。
数式１４
2004504691.tif 000015
ここでｍは分布の次数（ｏｒｄｅｒ）である。
【００４０】
シミュレーションは、周期サンプリングデータ収集システムが行うのと全く同じように、流れの遮断信号の１００パーセントから０パーセントまでの間で均等に間隔のあけられた５０個の点を利用する離散近似式である。そして、数式１３によって定義される正規化導関数が算出される。ビーム中のクラスタサイズに対して作成される場合、得られる分布は初期の分布と比較される。シミュレーションの結果をいくつか図１２および図１３、および図１５および図１６に示し、以下に説明する。
【００４１】
図７は、すでに説明したように、正常に分布されかつクラスタ当たり１５００個のアルゴン分子の平均サイズおよび４００個の分子の標準偏差を持つクラスタサイズ分布を伴う、２０ｋｅＶのビームの流れ信号を表わしている。
【００４２】
図１２は、時間で割り算された図７からの流れ信号の正規化負性導関数を表わしている。変動（曲線の揺れ動き）は、シミュレーションにおける数的近似値導関数の結果である。
【００４３】
図１３は、時間ではなくクラスタサイズに対して作成された図１２のこの同じ分布を示している。得られた分布は当初のガウス分布と比較される。導関数の近似値にもかかわらず非常に一致している点に留意しなければならない。
【００４４】
図１４は次数が２のポアソン統計を持つクラスタサイズ分布に関する流れの遮断を示している。この場合、平均クラスタサイズが５０パーセントの点では発生していない点に留意しなければならない。ポアソン分布については、平均は５０パーセント点以下で発生している。次数が増加するに従って、平均は５０パーセント点に近づく。
【００４５】
図１５は時間で割り算された図１４の信号の正規化時間導関数を示している。平滑化技術を利用して導関数の忠実性を向上させることがわかる。ポアソン分布については、数分布のピークは平均を大幅に下回る数において発生しているため、より多くのクラスタがガウス分布よりも短い飛行時間を持っている。これは高い質量におけるより長い末尾によって相殺され、その結果、同じ平均が得られる。
【００４６】
図１６は、対応するクラスタサイズに対して作成された図１４の信号の正規化時間導関数を示している。ここでも、クラスタ分布がかなり大幅に変化しているにも関わらず非常に一致している点に留意すべきである（ポアソン対ガウス）。
【００４７】
ここで説明するプロセスにより、ビーム中のクラスタサイズ分布を完全に抽出することが可能となる。このプロセスは信号の導関数を得て時間で割り算することを伴う点に留意しなければならない。上で説明したシミュレーションは、従来のデータ収集システムを使って信号が周期的サンプルとして得られると仮定した場合に得られる逆重畳プロセスを非常によく模倣している。より一般的なパルス化飛行時間と比較した場合、本願の信号レベルは高レベルであり低いノイズで簡単に読み取れる点に留意すべきである。シミュレーションは有限切り替え時間を考慮に入れるよう簡単に改変することができる。これにより、得られる分布がわずかに相殺されると予想されるが、予想されるクラスタサイズにとっては、相殺は無視し得るものでなければならない。本願ではクラスタ統計を強調しているが、ビーム中に存在するどのような分子も検出することができる。分子イオンフィルタを備えるビームラインにおいては、通常は何も存在しないため分子イオンフィルタの起こり得る故障は検出可能である。
【００４８】
図１７、図１８、および図１９は、図４に示さたようようなガスクラスタイオンビーム処理システムにおいて本発明を利用して行われる測定および分析の結果を示している。この場合、ビームゲート装置２１２は図１１にすでに詳細に示したような偏向切り替えタイプのものである。ビームフィルタ２１４がガスクラスタイオンビーム処理システムに存在したが、意図的に動作不能とされて分子イオンおよび低質量イオンがＧＣＩＢ中に存在するようになっていた。この実施例には、３ｋＶの加速電圧ＶＡＣＣによって加速されたアルゴンガスクラスタイオンビームを使用した。クラスタイオンビームの流れＩは約１０マイクロアンペアであり、ファラデーカップに収集された。飛行距離Ｌは約３４ｃｍであった。測定システム２２６は、収集されたビームの流れＩの周期的なデジタル化サンプルを収集し、上で説明した本発明の原理に従って処理した。
【００４９】
図１７は、ビームが偏向器によってゲートオフされた場合の測定されたガスクラスタイオンビームの流れＩの遮断特性のグラフを示している。分子イオンおよびその他の非常に軽量なイオンの飛行時間が短いことにより、時間ゼロ付近において流れの初期値が約１０パーセント急激に低下していることがわかる。２００μ秒までに、ファラデーカップによって受け取られるすべてのビームの流れは完全に遮断される。
【００５０】
図１８は、図１７に示される測定された流れの遮断信号の時間導関数のグラフを示す。
【００５１】
図１９は、図１７における流れの遮断特性測定に対応しており本発明に従って得られたｆ（ｎ／ｑ）クラスタ確率分布のグラフを示しており、ｎ／ｑに対して作成されている。分子イオンおよびもっとも小さなクラスタを表しているｎ／ｑ付近のピークがゼロであり、主なクラスタ分布のピークを表わしているｎ／ｑ付近のより後のピークが１３００である点に留意しなければならない。このグラフ状の情報は測定システム２２６によって作成され、本発明の表示システム２４０によって表示される。
【００５２】
本発明をさまざまな実施態様に関して説明してきたが、本発明は添付の請求の範囲の精神および範囲のなかでさまざまなさらなる他の実施態様も可能であることを認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＧＩＣＢソースの典型的なイオンクラスタサイズ分布を示すグラフである。
【図２】図２は、従来技術のＧＣＩＢ処理システムの基本的な素子を示す概略図である。
【図３】図３は、飛行時間の測定により本来の場所で（ｉｎ ｓｉｔｕ）クラスタサイズを決定する概念の概略図を示す。
【図４】図４は、本発明による改良点を持つＧＣＩＢ装置を示す概略図である。
【図５】図５は、Ｎ＝３０００分子およびσ＝４００分子のビームについてシミュレーションした流れの遮断のグラフを示す。
【図６】図６は、Ｎ＝３０００分子およびσ＝９００分子のビームについてシミュレーションした流れの遮断のグラフを示す。
【図７】図７は、Ｎ＝１５００分子およびσ＝４００分子のビームについてシミュレーションした流れの遮断のグラフを示す。
【図８】図８は、本発明に従ってＧＣＩＢをゲートするための電子ビームゲートを示す概略図である。
【図９】図９は、本発明に従ってＧＣＩＢをゲートするための抽出切り替え技術を示す概略図である。
【図１０】図１０は、本発明に従ってＧＣＩＢをイオン化切り替えするための技術の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施態様に従ってＧＣＩＢの偏向切り替えを備えたＧＣＩＢ装置を示す概略図である。
【図１２】図１２は、ガウスクラスタ分布（Ｎ＝１５００；σ＝４００）について時間で割り算された正規化負性導関数のグラフを示す。
【図１３】図１３は、初期（ガウス）分布を得られた分布と比較するグラフを示す（Ｎ＝１５００；σ＝４００）。
【図１４】図１４は、ポアソンクラスタ分布について流れの遮断のグラフを示す（Ｎ＝１５００；ｍ＝２）。
【図１５】図１５は、ポアソンクラスタ分布について時間で割り算された正規化負性導関数のグラフを示す（Ｎ＝１５００；ｍ＝２）。
【図１６】図１６は、初期（ポアソン）分布を得られた分布と比較するグラフを示す（Ｎ＝１５００；ｍ＝２）。
【図１７】図１７は、本発明に従って偏向切り替えを利用してゲートオフされたＧＣＩＢについて測定された流れの遮断のグラフを示す。
【図１８】図１８は、図１７に示される測定された流れの遮断の時間導関数のグラフを示す
【図１９】図１９は、図１７に示され本発明に従って得られる流れ遮断特性測定に対応する、クラスタ確率分布関数ｆ（ｎ／ｑ）のグラフを示す。
【図１】
2004504691.tif 000016
【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
2004504691.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004504691.tif 000027
【図１５】
2004504691.tif 000028
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際公開パンフレット】
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2004504691.tif 000034
2004504691.tif 000035
2004504691.tif 000036
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2004504691.tif 000039
2004504691.tif 000040
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【国際調査報告】
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