(57)【要約】【課題】イオンビーム加速器に典型的に使用される電荷交換装置が，電荷交換チェンバーを画成し，イオンビームが当該電荷交換管に出入りできるようにするビーム口を画成する電荷交換管と，電荷交換管の外に取り付けられる収納管（電荷交換材のための入口をもつ），ならびに電荷交換管と収納管との間に取り付けられる，少なくともひとつの中間管を含む。電荷交換管および少なくともひとつの中間管は，電荷交換チェンバーに入り，そこを通る，電荷交換材のカラム状流を可能にするために，電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列した，流れ口の少なくともひとつのｓセットを有する。電荷交換材の，ビーム口からの漏れは，従来技術の電荷交換装置と比較して減少する。
2004523742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷交換装置であって，
a.  電荷交換チェンバーを画成する電荷交換管であって，イオンビームが電荷交換管を出入りできるようにするビーム口も画成するところの電荷交換管と，
b.  電荷交換管の外に取り付けられ，電荷交換材のための入口を有する，収納管と，
c.  電荷交換管と収納管との間に取り付けられる，少なくともひとつの中間管と，
を含み，
d.  電荷交換管および少なくともひとつの中間管が，電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通る電荷交換材のカラム状流を可能にするために，電荷交換チェンバーの向かい合う側にある整列した流れ口の，少なくともひとつのセットを有する，ところの電荷交換装置。
【請求項２】
少なくともひとつの中間管が，電荷交換管と収納管との間で，複数の間隔が空けられ，同中心となる管を含む，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項３】
電荷交換チェンバー内の電荷交換材の圧力が10-3から10-5トルの範囲にある，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項４】
前記流れ口の少なくともひとつのセットが，流れ口の複数のセットからなり，各セットの流れ口が電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列する，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項５】
前記少なくともひとつの中間管が複数の中間管からなり，前記流れ口の少なくともひとつのセットがふたつ以上の流れ口からなり，前記最も内側の中間管の流れ口の数が，最も外側にある中間管の流れ管の数よりも多い，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項６】
流れ口の少なくともひとつのセットのうちの流れ口は，電荷交換材のカラム状流が前記電荷交換チェンバーの片側にある流れ口を通り電荷交換チェンバーに入ることを可能にし，前記電荷交換チェンバーの向かい合う側にある流れ口を通り電荷交換チェンバーから出ることを可能にする，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項７】
前記流れ口のひとつ以上が，電荷交換材の交差流を制限するために，平坦な構造物を備える，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項８】
さらに，収納管，少なくともひとつの中間管および電荷交換管を，互いに固定した位置で保持する，ひとつ以上の取り付け構造物を含む，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項９】
前記取り付け構造物が，前記電荷交換管，前記収納管および前記少なくともひとつの中間管の向かい合う端部に取り付けられる，第一および第二の溝付き構造物からなる，請求項８に記載の電荷交換装置。
【請求項１０】
さらに，前記管の間に空間に，前記取り付け構造物の開口を通して連結される真空ポンプを含む，請求項８に記載の電荷交換装置。
【請求項１１】
前記電荷交換管，前記収納管および前記少なくともひとつの中間管が円筒状で，かつ同中心となっている，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項１２】
前記流れ口がスロット形状であり，長い軸線方向の寸法をもつ，請求項１１に記載の電荷交換装置。
【請求項１３】
前記流れ口が前記管の長さにそって中心に向く，請求項１２に記載の電荷交換装置。
【請求項１４】
前記平坦な構造物が流れ口の向かい合う端部にあるフランジであり，該フランジが前記電荷交換チェンバーから距離の減少とともに広がる，請求項７に記載の電荷交換装置。
【請求項１５】
前記少なくともひとつの中間管が，
最も外側の中間管と，
間の中間管と，
最も内側の中間管と，
からなる，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項１６】
前記流れ口の少なくともひとつのセットが，
前記最も外側の中間管，間の中管および最も内側の中間管，および電荷交換管にある，流れ口の第一のセット，前記間の中間管および最も内側の中間管，および前記電荷交換管にある，流れ口の第二および第三のセット，ならびに前記最も内側の中間管および前記電荷交換管にある，流れ口の第四のセットからなる，請求項１４に記載の電荷交換装置。
【請求項１７】
さらに，少なくともひとつの中間管の内側の，少なくともひとつ空間と連通する真空ポンプを含む，請求項１に記載の電荷交換装置。
【請求項１８】
イオンビーム加速器に使用する電荷交換装置であって，
a.  電荷交換チェンバーを画成する電荷交換管であって，イオンビームが電荷交換管を出入りできるようにするビーム口も画成するところの電荷交換管と，
b.  電荷交換管に入り，そこを通る電荷交換材のカラム状流を形成する手段と，
c.  カラム状流が電荷交換チェンバーを出たときに，電荷交換材のカラム状流を収集する手段と，
を含む，電荷交換手段。
【請求項１９】
形成し収集する手段が，電荷交換管と収納管との間に取り付けられる少なくともひとつの中間管，ならびに電荷交換管および少なくともひとつの中間管にある，流れ口の少なくともひとつのセットを含み，流れ口の少なくともひとつのセットが，電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列する，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２０】
カラム状流を形成する手段が，電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通る，複数のカラム状流を形成し，カラム状流を収集する手段が，電荷交換チェンバーを出て行く，複数のカラム状流を収集する，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２１】
形成する手段は，カラム状流れが電荷交換チェンバーの片側で，電荷交換チェンバーに入るようにし，収集する手段は，カラム状流が電荷交換チェンバーの他方の側で，電荷交換チェンバーから出るようにする，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２２】
前記流れ口の少なくともひとつのセットの内の流れ口は，電荷交換材のカラム状流が前記電荷交換チェンバーの片側の流れ口を通って電荷交換チェンバーに入ることができ，前記電荷交換チェンバーの向かい側の流れ口を通って電荷交換チェンバーから出ることがきるように，整列している，請求項１９に記載の電荷交換装置。
【請求項２３】
ひとつの中間管が複数で，間隔があけられた同中心の管からなる，請求項１９に記載の電荷交換装置。
【請求項２４】
形成する手段が，電荷交換材の交差流を制限するための平坦な構造物を含む，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２５】
さらに，収集する手段と連通する真空ポンプを含む，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２６】
形成する手段および収集する手段が，電荷交換管の軸線方向の寸法にそって伸長する，請求項１８に記載の電荷交換装置。
【請求項２７】
イオンビームと電荷交換するための方法であって，
a.  イオンビームを，電荷交換チェンバーを通して移送する工程と，
b.  電荷交換材のカラム状流を電荷交換チェンバーに向ける工程と，
c.  カラム状流が電荷交換チェンバーを出て行ったときに，電荷交換材のカラム状流を収集する工程と，
を含む方法。
【請求項２８】
向ける工程は，分子流が，電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列した流れ口の少なくともひとつのセットを通るようにする工程からなる，請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
収集する工程は，カラム状の分子流が電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列した流れ口の，少なくともひとつのセットを通るようにする工程からなる，請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
さらに，電荷交換材のカラム状とならない流れを排出する工程を含み，請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
さらに，電荷交換チェンバーに向けられたカラム状流に，排出された電荷交換材を再循環させる工程を含む，請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，荷電粒子加速器に使用される電荷交換装置に関し，特に電荷交換チェンバーへのカラム状のガス流を形成する電荷交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンデム型加速器はイオンを高エネルギーに加速するために，多くの場合イオンを半導体ウエハに注入するために広く使用されている。タンデム型加速器は，負のイオンビームを生成し，正のターミナルに向けるか，あるいは正のイオンを負のターミナルに向けるかである。タンデム型加速器は，高電圧ターミナルにイオンビームを向け，電荷交換装置またはイオンストリッパーを通して，イオンビームを加速する。イオンビームは電荷交換装置の穴を通過して，電荷交換材（固体フィルム，蒸気，またはガスであってもよいもの）に衝突する。イオンと電荷交換材との間の衝突の結果，電子が，イオンビームのイオンから剥ぎ取られるか，または付加され，このことにより，ビームの電荷が反転し，負のイオンビームの負のイオンは正に，正のイオンビームの正のイオンは負となる。イオンビームは次に，電荷交換装置を出て行き，さらに高電圧ターミナルからアースへと加速され，したがって，ターミナルの前後で，エネルギーを獲得する。ビームは次に，集束され，イオンを半導体ウエハに注入するために，半導体ウエハに向けられる。
【０００３】
従来の電荷交換装置は典型的に，イオンビームを収容できるように，約１cmの内径をもつ電荷交換管を含む。電荷交換管は全ての周囲ガスを実質的に除去するために排気され，電荷交換材が，電荷交換管の中心にある穴を通って，電荷交換管内へと漏れる。電荷交換管内のガス圧は，10-3から10-5トルのオーダである。圧力は，ガスが管に漏れる中心ではより高く，ビームが管に入り，そして出て行く管の端部ではより低い。管の長さにそった圧力の積分は，「圧力−長（pressure-length）」として知られている。圧力−長は，電荷交換材とイオンビームと間で十分な相互作用を達成するために，少なくとも最小値，典型的には10-5torr-cmのオーダでなければならない。イオンビーム（管を軸線にそって通過する）はガス分子とのこすれ合うような衝突により電子を失い，または獲得する。ガスは次に，管の端部に移り，ここでイオンビームの入口および出口ポートを通過して逃げる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
逃げたガスは外部を危険な状態にし，加速器システムを汚染し，ガスの再利用を難しくする。さらに，ガスがビームラインに漏れると，ビーム内のイオンは，制御不能に，電荷交換ガス分子と衝突する。イオンビームは次に，異なる電荷状態をもつ（異なるエネルギー状態に加速され，異なる最終速度をもつ）イオンを含む。イオンビームは，不所望種を除去するために，磁石を通過することから，異なる電荷状態をもつイオンは，イオン電流の減少，スループットの減少をまねく。
【０００５】
逃げたガスの量は，電荷交換チェンバーのガスの圧力とともに，そして電荷交換管の直径の三乗で増加する。逃げたガスの量は，管の内径の増加とともに増加することから，その内径は可能か限り小さく維持しなければならない。しかし，イオンビームの大きさは小さな直径をもつ管により制限を受ける。低電流モードでは，タンデム型加速器は，直径が約１ｃｍの小さなイオンビームを，電荷交換チェンバーを通して移送する。中間または高電流モードでは，タンデム型加速器は，直径が約2.5cmのより大きなビームを移送し，電荷交換チェンバーはその加速器の動作のために，必要とされない。より大きなビームに適応するために，システムは機械的に，電荷交換チェンバーをベースラインから移動させるが，これは機械的に信頼のないものである。また，可動な電荷交換チェンバーは，機能しなくなるかも知れず，そしてそれ自身機械的に信頼のないシールやベアリングを必要とする。さらに，タンデム型加速器のモードを切換えることは，加速器の中断を余儀なくする。さらにまた，直径がより大きな電荷交換チェンバーが，大きな直径ビームおよび小さな直径のビームの両方に適応するために使用される。しかし，直径がより大きな電荷交換チェンバーは電荷交換ガスの漏れの増加をまねく。したがって，管の直径の選択は，限定的ではないが，逃げるガスの最小化，全ビーム直径への適応，機械的な信頼性の維持，単純化といった要因から決められる。
【０００６】
たとえば，図６に示された従来技術の装置，システムは，１つの外側管で電荷交換チェンバーを取り囲むこみ，真空ポンプで外側管からガスを排気することにより，電荷交換ガスの逃げを減少させている。外側ガスの真空排気は，逃げるガスの一部を循環させることができる。しかし，電荷交換管および外側管は，ガスが逃げることができるビーム出口および入口をもち，したがって従来技術のシステムの欠点をもつ。
【０００７】
従来技術はまた，電荷反転領域に蒸気の超音波流れを向けることを開示する。蒸気は次に，再利用のために，イオンビームの反対側に収集され，濃縮される。しかし，従来技術のシステムは，不活性ガスではなく，金属蒸気の形態で，電荷交換材を利用し，したがって，ガスを収集するのではなく，流れノズルの反対側にある冷却表面上で濃縮することで蒸気を収集する。さらに，これらシステムは，ひとつの細い流れのみを使用し，したがって高いの濃度の交換蒸気を達成できず，このことにより，ビームと相互作用するために使用できる蒸気の量に制限を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は従来技術の電荷交換装置の，上記した欠点および他の欠点のひとつ以上を解決する電荷交換装置および方法に関する。電荷交換装置は，少なくともひとつ以上のカラム状の分子流，またはガスジェットを電荷交換チェンバーに与え，そしてそこを通すことにより，電荷交換材を粒子ビーム入口および出口からの漏れの減少を達成する。カラム状の分子流は電荷交換チェンバーの反対側に収集される。好適には，電荷交換装置は，電荷交換チェンバーで横切る複数のカラム状流を与える。
【０００９】
本発明の態様にしたがって，電荷交換装置が提供される。電荷交換装置は，電荷交換チェンバーを画成し，イオンビームが当該電荷交換管を出入りできるようにするビーム口を画成する電荷交換管，電荷交換管の外に取り付けられる収納管（電荷交換材用の入口を有する），および電荷交換管と収納管との間に取り付けられる少なくとも１つの中間管を有する。電荷交換管および少なくとも１つの中間管は，電荷交換チェンバーの向かい合う側で整列した，流れ口の少なくともひとつのセットを有し，電荷交換材のカラム状の流れを電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通るようにできる。
【００１０】
本発明の他の態様にしたがって，電荷交換装置がイオンビーム加速器での使用のために提供される。電荷効果装置は，電荷交換チェンバーを画成し，イオンビームが当該電荷交換管を出入りできるようにするビーム口を画成する電荷交換管，電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通る電荷交換材のカラム状流を形成する手段，および電荷交換チェンバーからのカラム状流を収集する手段を含む。
【００１１】
さらに，本発明の態様にしたがって，イオンビームとの電荷交換方法が提供される。本方法は，イオンビームを電荷交換チェンバーに移送する工程，荷電交換材のカラム状流を，電荷交換チェンバーに向ける工程，および電荷交換材が電荷交換チェンバーを出たとき，電荷交換材のカラム状流を収集する工程を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の種々の実施例が，従来の装置およびシステムの欠点を解消し，種々の効果を奏する。本発明の実施例は，すべて同じ効果を奏するというわけでもなく，同じ環境下で同じ効果を奏するというものでもない。本発明は出入口から，電荷交換材がもれることを減少させる顕著な効果を含む種々の効果を奏する。
【００１３】
本発明のさらなる特徴および効果ならびに本発明を実施する装置および方法は，添付図面を参照して説明される。
【００１４】
本発明の種々の実施例は，例示として，添付図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は，イオンビームを電荷交換材にさらすための装置および方法に関する。説明される装置および方法は，電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通る電荷交換材のカラム状分子流，またはガスジェットを形成する。装置は，収納管，少なくともひとつの中間管，および電荷交換チェンバーを画成する電荷交換管を含む。電荷交換管および各中間管は，下述するように，電荷交換チェンバーへ，そしてそこを通る，カラム状分子流を与える。用語「分子流」は，電荷交換材分子が，他の電荷交換材分子よりも囲い込み壁と衝突する圧力範囲にあるものを示す。分子流は，一般的に10-3トルよりも低い圧力で得られるものである。用語「カラム状」は実質的に平行または平行に方向をもつ電荷交換材分子流を示す。
【００１６】
本発明は，正のターミナルタンデム型加速器ならびにガス状の電荷交換材の使用に関連して説明されるが，本発明は，他のタイプの加速器ならびに固体ではない電荷交換材とでも利用できる。
【００１７】
タンデム型加速器を組み込むイオン注入器の実施例が，図１に示されている。イオン注入器50がソース材のイオンを生成するイオンソース52を含む。ソース52からのイオンが正のイオンのイオンビーム54を形成するために，抽出電圧の適用により加速される。正のイオンはつぎに，負のビームを形成するために，マグネシウム（Mg）製の電荷交換セル55を通過する。この段階でのイオンビーム54はいろいろな種類で，いろいろな電荷状態のイオン化されたソース材を含む。特定種が質量分析器56により選択される。イオンビーム54はつぎに，低エネルギーの四重極子58（加速器60a，電荷交換装置10および加速器60bを含むタンデム型加速器に入る前に，イオンビームを集束させ，集中させるもの）で制約を受ける。加速器60aにおいて，イオンビーム54は，高電圧の正のターミナルに向け，そして電荷交換装置10を通るように加速される。イオンビーム54は，電荷交換装置10内の電荷交換チェンバーを通過し，負のイオンビーム54中のイオンから電子が剥ぎ取られるところの電荷交換材と衝突し，これにより，イオンは正になる。電荷交換材には，アルゴン，窒素などがこれに限定されないが含まれる。正の電荷をもつイオンビーム54はつぎに，電荷交換装置10を離れ，加速器60bを介して，高電圧からアース電圧へ加速される。イオンビーム54は，加速器60bを過ぎた後，再びビーム54を電荷選択器磁石（フィルター）63へと集束する高エネルギー四重極子62により，制約される。フィルター磁石63はイオンビームをスキャナー64へと通過させる。スキャナー64はエンドステーション70に位置するウエハ68の表面にわたってイオンビーム54を走査する。平行化磁石66が，走査されたイオンビームを，ウエハ68上に入射する前に，平行化するために設けられている。
【００１８】
図２ないし図５は電荷交換装置10の一実施例を示す。電荷交換装置10は電荷交換管12，収納管14，および電荷交換管12と収納管14との間にあるひとつ以上の中間管を含む。（電荷交換管12は図２には示されてはいない。）図２ないし図５の実施例は中間管40，42および44を含む。好適には，電荷交換管12，収納管14および中間管40，42および44は円筒状で，ビームラインを中心とし，かつ同中心となる。円筒状で，同じ形状をもち，同中心の電荷交換管，中間管および収納管に関連して本発明が説明されているが，本発明がこれらに限定されず，また本発明が，特にタンデム型加速器に高電圧ターミナルの近傍で，電気放電を起こしやすい鋭い端部をもたない他の管状物も利用できることは分かるであろう。さらに，これら管が同じ形状する必要も，同中心に取り付けられる必要もないことは分かるであろう。
【００１９】
電荷交換管12は電荷交換チェンバー13を画成する。中間40，42および44，ならびに電荷交換管12は，主要な流れ口を少なくとも一セット備えている。セットの内の流れ口は，電荷交換材のカラム状流が電荷効果チェンバー13へ，そしてそこを通ることができるように，ビームライン24の両側に，電荷交換装置10の直径にそって整列している。図２ないし図５の実施例では，第一の流れ口の一セットは，中間管40の流れ口81および82，中間管42の流れ口85および86，中間管44の流れ口87および88，ならびに電荷交換管12の流れ口83および84を含む。第一の流れ口81ないし88は図３に示されているように，電荷交換装置の直径にそって放射状に整列している。流れ口81，85，87および83はビームライン24の片側に位置し，電荷交換チェンバー13へそしてそこからの第一の流れ経路を画成する。流れ口82，86，88および84はビームライン24の反対に位置し，電荷交換チェンバー13へそしてそこからの第二の流れ経路を画成する。したがって，第一の流れ口81ないし88は，下述するように，電荷交換チェンバー13へそしてそこを通る電荷交換材の，反対方向に向いた二つのカラム状の経路を画成する。
【００２０】
ガス状態の電荷交換材18が，ガス入口20と通って収納管（収納管14と中間管40との間の環状空間22aにガス濃度Naを形成する）へと供給される。ガス濃度Naは環状空間22aに，ガス圧Pa，好適には1から10トルの範囲，より好適には約8トルのガス圧を形成する。ガスを直接環状空間22aに供給するガス入口20をもつように本発明が説明されるが，ガス入口は中間管40，42および44のいずれかに配置することもできる。
【００２１】
電荷交換材18は環状空間22aから流れ口81および82を通り，ランバーシアン（余弦）分布をもって，中間管40と42との間の環状空間22bへと通過する。中間管42の流れ口85および86は，電荷交換材18の放射状に移動する分子が環状空間22bから中間管42と44との間の環状空間22cへと通過することを可能とし，流れ口87および88は，電荷交換材18の放射状に移動する分子が環状空間22cから中間管44と電荷交換管12との間の環状空間22dへと通過することを可能にし，流れ口83および84は，電荷交換材18の放射状に移動する分子が環状空間22dから電荷交チェンバー13へと通過することを可能にする。したがって，放射状に整列した流れ管81−88は，ベースライン24に向かう，電荷交換材18のカラム状分子流を可能にする。電荷交換材の放射状でない移動をする分子は，流れ口を通過せず，下述するように，真空ポンプにより環状空間から排除される。
【００２２】
環状空間22bは環状空間22a内のガス濃度Naよりも低いガス濃度Nbを有し，環状空間22cはガス濃度Nbよりも低いガス濃度Ncを有し，環状空間22dはガス濃度Ncよりも低いガス濃度Ndを有する。ガス濃度Na，Nb，Nc，Ndは環状空間22a，22b，22c，22dのそれぞれのガス圧Pa，Pb，Pc，Pd（環状空間22aから環状空間22dにいくにつれて低下する）に対応する。環状空間22dの圧力Pdおよび電荷交換管12内の圧力は好適に約10-3から10-5トルの範囲で，分子流を可能にする。環状空間22aから電荷交換チェンバー13への圧力差は，下述するように，電荷交換装置の真空吸引により形成される。
【００２３】
電荷交換装置10の構成により，放射状に並んだ流れ口81，85，87および83を通り，電荷交換チェンバー13への電荷交換材18の，第一のカラム状流90またはガスジェット，および放射状に並んだ流れ口82，86，88および84を通り，電荷交換チェンバー13への電荷交換材18の，第二のカラム状流92またはガスジェットが形成される。第一および第二のカラム状流は，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る互いに反対の方向に流れる。電荷交換材18の分子は分子流状であり，ここで互いに反対方向の第一および第二のカラム状流は実質的に衝突の可能性なく通過する。互いに反対方向のカラム状流のそれぞれは，電荷交換チェンバー13を通過し，電荷交換管12の両側にある整列した流れ口を通って電荷交換チェンバー13から出て行く。その結果，電荷交換管12を通る電荷交換材の漏れは制限される。電荷交換チェンバー13を通るカラム状流は十分な密度の電荷交換材18を提供し，電荷交換材18とイオンビーム54との間で所望の電荷交換が行われる。
【００２４】
電荷交換チェンバー13の電荷交換材の圧力は，イオンビームとの所望の電荷交換を達成するために十分に高い圧力と，ビームの遮断および不所望の電荷交換のような，イオンビームになす逆の作用を制限するのに十分に低い圧力と間でトレードオフの関係にある。好適に，電荷交換チェンバー13内の電荷交換材18の圧力は，約10-3から10-5トルの範囲にある。
【００２５】
中間管40，42および44ならびに電荷交換管12には，電荷交換チェンバー13に，そしてそこを通る電荷交換材の，カラム状流のための他の経路を画成するためにさらに，流れ口が設けられてもよい。図２ないし図５の実施例において，整列した流れ口の第一の，二番目のセットは中間管42の流れ口110および112，中間管44の流れ口114および116，ならびに電荷交換管12の流れ口118および120を含む。第二の，二番目のセットは中間管42の流れ口122および124，中間管44の流れ口126および128，ならびに電荷交換管12の流れ口130および132を含む。整列した流れ口の三番目のセットは中間管44の流れ口140および142，および電荷交換管12の流れ口144および146を含む。流れ口の各セットの流れ口は，電荷交換装置の直径にそって放射状に並び，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る電荷交換材の，互いに反対に向いたカラム状流のための経路を画成する。図２ないし図５の実施例において，４セットの流れ口はベースライン24に関して，等しい角度をもって離れている。したがって，経路は，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る電荷交換材の，八つのカラム状流のためのものとなっている。複数のカラム状流は電荷交換チェンバー13内で交差し，電荷交換チェンバー13内の電荷交換材の密を増加させるとともに，電荷交換管12の端部から，電荷交換材の漏れを制限する。
【００２６】
電荷交換装置は，三つの中間管40，42，44をもつように説明されているが，ひとつ以上の中間管が利用できる。収納管14と電荷交換管12との間の中間管の数は，電荷交換装置10の最大の可能な大きさにより制限されるものである。電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る電荷交換材のカラム状流を可能にするために，電荷交換管12と収納管12との間に少なくともひとつの中間管40が必要である。
【００２７】
好適実施例において，電荷交換管12は，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る電荷交換材のカラム状流を可能にするために，四対の放射状に並んだ流れ口を有する。電荷交換管12のさらなる流れ口が，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る，電荷交換材のさらなるカラム状流を可能にする。しかし，さらなる流れ口は，各環状空間で，そして電荷交換チェンバーで電荷交換材18の交差流を増加させるために，流れがカラム状になりにくくなる。交差流は，環状空間および電荷交換チェンバー内で，電荷交換材を放射状の流れにしない。さらなる交差流は流れのカラム状化を低下させる。
【００２８】
図２ないし図５の実施例において，流れ口の数は，電荷交換チェンバー13に近い中間管でより多い。したがって，最も外側の中間管40は二つの流れ口を有し，間の中間管42は六つの流れ口を有し，最も内側の中間管44は八つの流れ口を有する。特に，一番目の流れ口のセットの最も外側の流れ口は中間管40にあり，二番目の流れ口の二つのセットの最も外側の流れ口は中間管42にあり，三番目の流れ口のセットの最も外側の流れ口は中間管44にある。このような構成により，比較的多数の流れ経路が電荷交換チェンバー13に与えられる一方，外側の環状空間22aおよび22bでの交差流が制限される。その結果，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る電荷交換材の，比較的容積があるカラム状流が得られる。
【００２９】
電荷交換チェンバー13内の電荷交換材18の分子はイオンビーム54を通過し，イオンビーム54の電荷状態を変える。電荷交換材18の各カラム状流は，電荷交換管12の両側にある流れ口を通して，電荷交換チェンバー13を出て行く。したがって，流れ口83を通って電荷交換チェンバー13に入り電荷交換材の，放射状に移動する分子は流れ口84を通って出て行く。同様に，流れ口84を通って電荷交換チェンバー13に入り電荷交換材の，放射状に移動する分子は流れ口83を通って出て行く。電荷交換材の分子の多くは，流れ口83から流れ口84へ，そして流れ口84から流れ口83へのカラム状流になって，電荷交換チェンバー13を通過し，電荷交換材18の比較的少ない量が電荷交換管12の開放端を通って電荷交換チェンバー13から逃げる。電荷交換材18の各カラム状流れは，イオンビーム入口26およびイオン出口28を通って電荷交換チェンバー13から逃げることよりも，電荷交換管12の両側にある流れ口により捕獲される傾向をもつ。
【００３０】
流れ口83および84と通って電荷交換チェンバー13を出て行く，電荷交換材18の分子は，環状空間のひとつに入り，分散しながら衝突し，その分子は電荷交換チェンバー13へのカラム状流に再度入り，または環状空間内の分子は，下述するように，真空ポンプ31により環状空間の端部から排出される。電荷交換材18は入口20を通り，環状空間20aへと再循環される。
【００３１】
電荷交換装置10は好適に，収納管14，中間管40，42，44，および電荷交換管12を，一定の相対位置でもって取り付ける取り付け構造物を含む。図２ないし図５の実施例において，エンドキャップの形状をもつ取り付け構造物32a，32bは，収納管14，中間管40，42，44，および電荷交換管12の両側に位置する。取り付け構造物32aおよび32bは，収納管14および中間管40，42および44の端部を受け入れる環状溝を有してもよい。本発明は，管の端部にある取り付け構造物32aおよび32bに関連して説明されているが，管の取り付けおよび配置は，限定的ではないが，環状空間22a，22b，22cおよび22dにスペーサ，ブラケット，支持体および支柱がある他の適切な構造により維持することもできる。
【００３２】
本発明の実施例において，電荷交換管12の外側の環状空間22a，22b，22cおよび22dのひとつ以上は，加速器のベースラインへの，電荷交換材18の漏れを防止または制限するために包含されてもよい。図４に示されているように，環状空間22aの両側は，取り付け構造物32aおよび32bにより覆われている。本発明の他の実施例において，環状空間22a，22b，22cおよび22dのひとつ以上は，中間管40，42，44および収納管14の端部の収集領域30aおよび30bと連通することもできる。図４に示されているように，環状空間22a，22b，22cおよび22dは，取り付け構造物32aおよび32bの開口34を通して，収集領域30aおよび30bとそれぞれ連通してもよい。収集領域30aおよび30bは，真空マニフォルド16と，取り付け構造物32aおよび32bならびに収納管14の外側表面との間に画成される。真空マニフォルド16は，電荷交換材18を除去するために，真空ポンプ31に連結されてもよい。電荷交換材18は再利用され，入口20に戻してもよい。各環状空間は，別個の真空ポンプと連通してもよいが，これに代え，環状空間をひとかたまりにして，ひとつの真空ポンプと連通してもよい。一実施例において，真空ポンプ31はバリアン製のV300-HT真空ポンプでもよい。真空ポンプ31は好適に，窒素およびアルゴンに対して，単位秒当たり少なくとも280リットルの排気速度をもつ。
【００３３】
図４に示されているように，真空マニフォルド16はイオンビーム入口26およびイオン出口28を含む。個別の真空マニフォルド16が図４の実施例において，収集領域30aおよび30bを画成するが，収集領域30aおよび30bは，限定的ではないが，収納管14，中間管40，42，44および電荷交換管12のすべてまたはそのいくつかと一体に形成された構造を含む適切な構造物により画成されてもよい。たとえば，収納管14の端部は中間管40，42，および44の端部を取り囲むトロイド形状物を形成するように伸長してもよい。
【００３４】
取り付け構造物32aおよび32bのひとつまたは両方は，電荷交換材18が，環状空間22b，22cおよび22dから収集領域30a，30bへと流れることを可能にするために，ひとつ以上の流れ口34（図５）を含んでもよい。取り付け構造物32aおよび32bは好適には，高圧の電荷交換材18が収集領域30aおよび30bに直接流れないように，環状空間22aの端部に流れ口をもたないことである。流れ口34放射方向の寸法は，好適に0.05−0.38インチ（0.127−0.965cm），より好適には，約0.25インチ（0.635cm）である。取り付け構造物32aおよび32bの開口34の数および大きさは，電荷交換材が真空ポンプ31により除去されるように選択される。取り付け構造物32aおよび32bはまた，ビーム入口および出口を有する。
【００３５】
図２ないし図５の実施例における，流れ口81−88，110−120，122−132および140−146を含む流れ口は，電荷交換チェンバー13へ，そしてそこを通る，電荷交換材18のカラム状流を与え，イオンビームとの電荷交換を達成するために，電荷交換チェンバー13に十分な電荷交換材を与える形状と寸法を有する。流通の程度は，限定的ではないが，整列した流れ口の数，管の周囲にそった流れ管の幅，管の長さにそった流れ口の長さ，管の間の距離，および各管の流れ口の数を含む多くの要因に依存する。
【００３６】
流通の程度は，周囲の寸法が大きくなると，分子流が拡散し集中しなくなることから，流れ口の周囲の寸法に逆比例する。しかし，大きな流れ口は，電荷交換チェンバー13の両側からのカラム状流を捕獲するのにより効果的であり，したがって，カラム状流を与えるには細い流れ口を与える必要性と，流れの補足には大きな口を与える必要性との間にトレードオフの関係がある。流れ口の幅は好適に，直径が約1.0インチ（2.54cm）の典型的な電荷交換管に対して，0.05インチから0.25インチ（0.127cmから0.635cm）の範囲にあり，ここで，流れ口の幅は，管の周囲のまわりにそって測定される。
【００３７】
流れ口の長さは，管の長さにそった測定される。流れ口は，カラム状流を鉛筆型形状に形成するために円形でもよい。しかし，図２および図４に示されているように，各流れ口の長さは好適に，その幅よりも広い。したがって，流れ口は，中間管40，42，44および電荷交換管12の長さにそって伸長するスロット形状をもってもよい。流れ口は管の長さの大半にわたって伸長してもよく，好適実施例では，中間管40，42，44および電荷交換管12の長さの約半分から四分の三にわって伸長する。流れ口が電荷交換管12の端部のビーム入口26およびビーム出口28の近くに位置するとき，より多くの電荷交換材18がビーム入口26およびビーム出口を通って逃げることから，電荷交換材の再利用の効率は減少し，加速器のベースラインへの漏れは増加する。したがって，流れ口は管の長さにそって，実質的に中心に向いてもよい。カラム状流はまた，流れ口の長さに逆比例する。しかし，流れ口をスロットのように形成すると，カラム状流れは，鉛筆型のビームというよりも，平坦なカラム状流またはガスジェットを与える。平坦なカラム状流により，イオンビームはより多くの電荷交換材を移動することができ，電荷交換チェンバー13内で電荷交換をすることができる。図２ないし図５に示された実施例において，流れ口は約7−8インチ（17.8−20.3cm）の長さをもつ。これに代えて，流れ口は，中間管40，42，44および電荷交換管12の長さにそって一連の半円またはスロット状口のように形成されてもよい。
【００３８】
流れ口は同じ形状および大きさをもっているように記述されているが，流れ口はいろいろな幅，長さおよび形状をもつことができることは理解できよう。たとえば，中間管40の流れ口は約0.19インチ（0.48cm）の幅をもってもよく，流れ口の幅は，ベースライン24からの距離の減少にともなって増加してもよく，電荷交換管12の流れ口の幅は，約0.25インチ（0.65cm）であってもよい。流れ口の幅は電荷交換チェンバー13にむかって増加すると，より多くの電荷交換材18は電荷交換チェンバー13に入ることができ，このことにより，電荷交換材18の濃度が増加する。しかし，流れはカラム状にはなりにくく，電荷交換材18の漏れが増加する。これに代え，流れ口の幅は，電荷交換材の収束流を形成するために，ベースライン24からの距離の減少とともに，減少する。このことにより電荷交換材の漏れは，向かい合った流れ口により十分に収集されることから減少する。しかし，電荷交換材18の濃度は減少し，したがって，電荷交換チェンバー13で，電荷交換材18を所望の圧力/濃度にすることが難しくなる。
【００３９】
管14，40，42，44および12の間の間隔（環状空間22a，22b，22c，および22dの放射方向の寸法を画成する）は，流れ内を通る流れのカラム状化および量と相関関係にある。流れ口を通る流れのカラム状化は流れ口を通過する分子流の量と逆の関係をもつ。管の間の間隔が増加すればするほど，カラム状流の平行化が増加する。しかし，電荷交換材18は流れ口を通り，電荷交換チェンバー13へと流れにくくなる。図２ないし図５に示された実施例に対して，環状空間の放射方向の寸法は，約0.5から2.0インチ（1.27から5.08cm）の範囲にある。管の間の間隔は，流れ口の幅と相関関係にある。流れ管の幅が広くなればなるほど，管の間がより広くなる。
【００４０】
ひとつ以上の，電荷交換装置の流れ口は，平らな構成物33を画成するフランジをもつように構成れてもよい。フランジは，中間管40，42，44および電荷交換管12のひとつ以上にあるひとつ以上の流れ口の縁から外側および/または内側に伸長する。流れ口の向かいあった縁でのフランジは，平行であってもよく，ビームライン24からの距離が減少するとともに広がってもよい。フランジ構造物は，カラム状ではあるが電荷交換チェンバー13にむかって発散する電荷交換材の流れを与える一方で，隣接した流れ口への，電荷交換材の放射方向でない交差流を制限する。平坦な構造物はまた，電荷交換チェンバー13の両側にある流れ口からの電荷交換材の収集を増加させる傾向をもつ。フランジは，各管に取り付けられてもよく，各管の一体化した部分として形成されてもよい。フランジは好適に，管の間の放射方向の間隔の約半分の放射方向の寸法をもつ。
【００４１】
電荷交換管12は，イオンビーム54と電気的な相互作用を制限するように選択された，限定的ではないがモリブデンを含む適当な材料で形成されてもよい。収納管14，中間管40，42，44，真空マニフォルドおよび平坦な構造物33は，限定的ではないが，電荷交換材18と相互作用をしないステンレススチールを含む適当な材料で形成されてもよい。
【００４２】
図２ないし図５の実施例において，電荷交換装置10は，長さが約9.42インチ（23.93cm）で，長さが約7.92インチ（20.12cm）をもち，電荷交換管12の流れにそって中心となる流れ口83，84を含む。電荷交換装置10はまた，電荷交換管12と同じ長さをもち，長さが約7.62インチ（19.35cm）の流れ口をもつ中間管40，42，44をもつ。収納管14は電荷交換管12と同じ長さをもってよい。取り付け構造物32aおよび32bは収納管14，中間管40，42，44および電荷交換管12の端部に取り付けられる。取り付け構造物32aおよび32bは，収納管14，中間管40，42，44および電荷交換管12を，所望の間隔をあけて，ビームライン12に同中心に支持するために，深さが0.12インチ（0.30cm）の溝を有する。本発明の一実施例において，環状空間22aは0.19インチ（0.48cm）の放射方向の寸法をもち，環状空間22bは，0.44インチ（1.12cm）の放射方向の寸法をもち，環状空間22cは，0.56インチ（1.42cm）の放射方向の寸法を有し，
環状空間22dは，0.25インチ（0.63cm）の放射方向の寸法を有する。電荷交換管12の内径は好適に，1.0インチ（2.54cm）である。取り付け構造体32aおよび32bは直径が5.13インチ（13.03cm）で幅が0.81インチ（2.06cm）である。取り付け構造物31aおよび32bは完全に環状空間22aを覆ってもよく，環状空間22b，22c，および22dの端部に複数の開口をもってもよい。真空マニフォルド16は取り付け構造物32aおよび32bの外側に取り受けられてもよい。中間管42は少なくともひとつの外側に伸長したフランジ構造物33を有してもよい。平坦な構造物は，幅が約0.22インチ（0.56cm）のフランジをもってもよく，約20度の発散角度をもってもよい。
【００４３】
本発明は，従来技術の電荷交換装置と比較して，加速器のビームラインへの電荷交換材18の漏れを減少させる構成をもつことができる。これに代え，より大きな内径をもつ電荷交換管12が従来の装置と同じ程度の量の漏れとなるものの，大きなイオンビームの使用ができる。バリアン製のVIISTA3000のような多くのエネルギー注入器において，電荷交換管12の内径は，1インチ（2.54cm）程度のものとすることができる。電荷交換機能は，中電流および高電流の注入の場合に要求されないが，電荷交換管12の内径はこれらのモードのそれぞれにおいて，イオンビームを調整することができ，これにより電荷交換管12の機械的な移動の必要性を避けることができる。
【００４４】
上述した要素のそれぞれ，または二つ以上が，ここで説明されたのと異なる応用例においても有用性をもつことは分かるであろう。本発明の特定の実施例が図示され，説明されてきたが，これらは細部について制限を与えるためのものではなく，種々の修正，変改が，特許請求の範囲で画成される本発明の思想から逸脱することなくなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は，本発明の一態様にしたがったイオン注入器の機能的なブロック図である。
【図２】図２は，本発明の電荷交換装置の実施例の断面斜視図である。
【図３】図３は，ビームラインにそった，図２の電荷交換子装置の断面図である。
【図４】図４は，ビームラインにそった，図２の電荷交換装置の断面図である。
【図５】図５は，図２に図示の電荷交換装置の斜視図である。
【図６】図６は，従来技術の電荷交換装置である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004523742.tif 000037
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523742.tif 000038
2004523742.tif 000039
【国際調査報告】
2004523742.tif 000040
2004523742.tif 000041
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