(57)【要約】システムは、イオンビームを受ける第１電極と、第１電極を通過したイオンビームを受ける第２電極であって、第１および第２電極間には第１および第２電極のうちの一方の凸面と第１および第２電極のうちの他方の凹面とによって画定される上流ギャップが形成される、第２電極と、第２電極を通過したイオンビームを受ける第３電極であって、第２および第３電極間には第２および第３電極のうちの一方の凸面と第２および第３電極のうちの他方の凹面とによって画定される下流ギャップが形成され、第２電極は２つの凹面または２つの凸面を有する、第３電極と、第１電極、第２電極、および第３電極に独立して電圧を供給し、イオンビームが第１、第２、および第３電極を通過する際にイオンビームを加速や減速させる電圧源システムとを備える。
2016538696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口部を有し、イオンビームを受ける第１電極と、
第２開口部を有し、前記第１電極の第１開口部を通過したイオンビームを受ける第２電極であって、第１および第２電極間には第１および第２電極のうちの一方の凸面と第１および第２電極のうちの他方の凹面とによって画定される上流ギャップが形成される、第２電極と、
第３開口部を有し、前記第２電極の第２開口部を通過したイオンビームを受ける第３電極であって、第２および第３電極間には第２および第３電極のうちの一方の凸面と第２および第３電極のうちの他方の凹面とによって画定される下流ギャップが形成され、第２電極は２つの凹面または２つの凸面を有する、第３電極と、
前記第１電極、第２電極、および第３電極それぞれに独立して電圧を供給し、イオンビームが前記第１、第２、および第３電極を通過する際にイオンビームを加速や減速するための電圧信号を生成するように構成される電圧源システムと
を備える、静電レンズシステム。
【請求項２】
前記電圧源システムは、静電レンズシステムを、
前記第１および第２電極が相互動作してイオンビームを加速およびコリメートする第１モード、
前記第２および第３電極が相互動作してイオンビームを減速およびコリメートする第２モード、および
前記第１、第２、および第３電極が相互動作してイオンビームを加速、減速、およびコリメートする第３モード
で動作させるための電圧信号を生成するように構成される、請求項１に記載の静電レンズシステム。
【請求項３】
前記第１モードにおいて、前記電圧源システムは、第１電圧を前記第１電極に印加し、第１電圧より大きい第２電圧を前記第２および第３電極それぞれに印加するように構成される、請求項２に記載の静電レンズシステム。
【請求項４】
前記第２モードにおいて、前記電圧源システムは、第１電圧を前記第１電極および第２電極に印加し、第１電圧より大きい第２電圧を前記第３電極に印加するように構成される、請求項２に記載の静電レンズシステム。
【請求項５】
前記第３モードにおいて、前記電圧源システムは、第１電圧を前記第１電極に印加し、第１電圧より大きい第２電圧を前記第２電極に印加し、第２電圧より小さい第３電圧を前記第３電極に印加するように構成される、請求項２に記載の静電レンズシステム。
【請求項６】
前記電圧源システムは、前記第１、第２、および第３電極にそれぞれ連結される第１、第２、および第３電圧源を備える、請求項１に記載の静電レンズシステム。
【請求項７】
前記第３モードにおいて、前記第１、第２、および第３電極は、相互動作して、イオンビームが前記第１および第２電極間を通過する際にイオンビームを部分的にコリメートし、イオンビームが前記第２および第３電極間を通過する際にイオンビームをさらにコリメートする、請求項２に記載の静電レンズシステム。
【請求項８】
前記上流ギャップは、前記第１電極の第１凹面と前記第２電極の第１凸面とによって画定され、前記下流ギャップは、前記第２電極の第２凸面と前記第３電極の第２凹面とによって画定される、請求項１に記載の静電レンズシステム。
【請求項９】
前記上流ギャップは、前記第１電極の第１凸面と前記第２電極の第１凹面とによって画定され、前記下流ギャップは、前記第２電極の第２凹面と前記第３電極の第２凸面とによって画定される、請求項１に記載の静電レンズシステム。
【請求項１０】
前記電圧源システムは、静電レンズシステムを、
前記第１および第２電極が相互動作してイオンビームを減速およびコリメートする第１モード、
前記第２および第３電極が相互動作してイオンビームを加速レンズおよびコリメートする第２モード、および
前記第１、第２、および第３電極が相互動作してイオンビームを減速、加速、およびコリメートする第３モード
で動作させるための電圧信号を生成するように構成される、請求項１に記載の静電レンズシステム。
【請求項１１】
発散イオンビームを処理する方法であって、
第１電極および第２電極の間で発散イオンビームを加速および部分的にコリメートして、加速および部分コリメートイオンビームを生成し、
第２電極および第３電極の間で前記加速および部分コリメートイオンビームを減速して、完全コリメートイオンビームを生成する、
方法。
【請求項１２】
さらに、
前記第１電極に、第１電極の出口側の第１凹面を設け、
前記第２電極に、第１電極の出口側と対向する第１凸面と、第２電極の出口側の第２凸面とを設け、
前記第３電極に、第２電極の出口側と対向する第２凹面を設ける、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記発散イオンビームは、第１発散イオンビームを含み、
さらに、
前記第１および第２電極間で第２発散イオンビームを加速して第２コリメートイオンビームを生成し、前記第２コリメートイオンビームのイオン速度に対する前記第２発散イオンビームのイオン速度の比は、０．５未満である、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記発散イオンビームは、第１発散イオンビームを含み、
さらに、
前記第２および第３電極間で第３発散イオンビームを減速して第３コリメートイオンビームを生成し、前記第３コリメートイオンビームのイオン速度に対する前記第３発散イオンビームのイオン速度の比は、２を超える、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、
第１電圧源から前記第１電極に第１電圧を与え、第２電圧源から前記第２電極に第２電圧を与え、第３電圧源から前記第３電極に第３電圧を与える、
請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入装置に関し、特に、イオン注入機におけるイオンビームのコリメーション制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のイオン注入機は、広い範囲にわたって平坦基板を照射するために用いられることが多い。大面積照射を促進するために、イオンビームコリメーションにより、イオンビームが基板に当たる前に発散イオンビームをコリメート（平行に）してもよい。コリメータは、基板に時不変幅広リボンビームを向けるリボンビームイオン注入機に用いられると共に、スポットビームやペンシルビームを前後に走査してリボン断面を生成するスポットビームイオン注入機にも用いられる。
【０００３】
イオンビーム伝送効率の向上のために、ビームラインの大部分にわたって、イオン源から取り出された元のエネルギーまたはイオン源から取り出されたものよりも高いエネルギーでイオンビームを伝播することが便利である場合も多い。これは、特に、１００ｋｅＶ未満のイオンエネルギーに当てはまる。当該エネルギー範囲は、より浅い注入深さを採用する高度マイクロ電子デバイスにイオン注入を行うために使用されることが増えている。したがって、イオンビームのコリメーションおよび減速や加速は、イオン注入機のビームラインの基板端への下流で行われ得る。
【０００４】
静電コリメータにおいて、静電レンズは、発散イオンビームをコリメートするように整えられた形状の湾曲電極を含む。基本的に、静電レンズは、コリメータとして、および、加速・減速レンズとして、構成され得る。特に、既知の静電レンズシステムでは、イオンビームに与えられる加速や減速が相対的に大きい条件下において、より適切にコリメーションを達成することができる。しかし、このような静電レンズを構成することは、ごく限られたエネルギー変化のみが望ましい場合、困難である。なぜなら、このような静電レンズシステムでは、適切に動作してイオンビームをコリメートするためには、レンズ電極に過度の湾曲が必要であり、実現できない可能性があるからである。これらおよびその他の考察に鑑みて、本改良が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
ある実施態様において、静電レンズシステムは、第１開口部を有し、イオンビームを受ける第１電極と、第２開口部を有し、前記第１電極の第１開口部を通過したイオンビームを受ける第２電極であって、第１および第２電極間には第１および第２電極のうちの一方の凸面と第１および第２電極のうちの他方の凹面とによって画定される上流ギャップが形成される、第２電極と、第３開口部を有し、前記第２電極の第２開口部を通過したイオンビームを受ける第３電極であって、第２および第３電極間には第２および第３電極のうちの一方の凸面と第２および第３電極のうちの他方の凹面とによって画定される下流ギャップが形成され、第２電極は２つの凹面または２つの凸面を有する、第３電極と、前記第１電極、第２電極、および第３電極それぞれに独立して電圧を供給し、イオンビームが前記第１、第２、および第３電極を通過する際にイオンビームを加速や減速するための電圧信号を生成するように構成される電圧源システムとを備える。
【０００６】
他の実施態様において、発散イオンビームを処理する方法は、第１電極および第２電極の間で発散イオンビームを加速および部分的にコリメートして、加速および部分コリメートイオンビームを生成し、第２電極および第３電極の間で前記加速および部分コリメートイオンビームを減速して、完全コリメートイオンビームを生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の種々の実施形態と一致するイオン注入機のブロック図である。
【図２】本発明の種々の実施形態と一致するイオン注入機のブロック図である。
【図３Ａ】種々の実施形態にかかる静電レンズシステムの上面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの系の静電レンズの等角図である。
【図４Ａ】図３Ａの系の使用のあるシナリオである。
【図４Ｂ】図３Ａの系の使用の他のシナリオである。
【図４Ｃ】図３Ａの系の使用のさらに他のシナリオである。
【図５】さらなる実施形態にかかる他の静電レンズシステムの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
ここに記載の実施形態は、イオン注入システムにおいてイオンビームを制御する装置および方法を提供する。イオン注入システムの例には、ビームラインイオン注入システムが含まれる。本実施形態の対象となるイオン注入システムには、一般的形状がスポットの断面を持つ「スポットイオンビーム」や細長い断面を持つリボンイオンビームを生成するものが含まれる。本実施形態において提供される新規の静電レンズシステムは、当該レンズ系を通過するイオンビームのビーム特性を調整する。特に、新規の静電レンズシステムは、静電コリメータ、および、イオンビームの減速や加速のための静電レンズとして作用し得る。後述するように、種々の実施形態において、静電レンズシステムは、３つの異なる電圧信号をそれぞれ独立して受信するように構成される３つの異なる電極を含んでもよい。これによって、静電レンズを、入射イオンビームのコリメーションを行いつつ、３つの異なるモードで動作させることができる。３つの異なるモードとは、入射イオンビームを加速する加速モードと、入射イオンビームを減速する減速モードと、入射イオンビームを加速および減速する組み合わせモードとである。こうして、静電レンズは、静電レンズによって処理中のイオンの入力イオンエネルギー対出力イオンエネルギー比の広範囲にわたって、特に当該比が１に近い値において、効果的にイオンをコリメートし得る。
【０００９】
図１は、本発明の種々の実施形態と一致するイオン注入機の上面図のブロック図である。イオン注入機１００は、基板ステージ１１２にイオンビーム１２０を与えるビームラインイオン注入機であって、基板ステージ１１２上に位置する基板１１４に当該イオンビームを注入し得る。イオン注入機１００の種々の要素には、イオン源１０２と、分析マグネット１０４と、真空チャンバー１０６と、質量分析スリット１０８と、基板ステージ１１２とが含まれる。本実施形態において、イオン注入機１００は、リボンビームとしてイオンビーム１２０を生成し、イオンビーム１２０を基板１１４に与えるように構成される。イオン源１０２と、分析マグネット１０４と、質量分析スリット１０８と、基板ステージ１１２とを含むイオン注入機１００の種々の構成要素の動作は、周知であり、これら構成要素のさらなる説明は省略する。図１に示す特定の構成は、イオンエネルギーが５００ｋｅＶ未満である中間または低エネルギーおよび高電流イオン注入に特に適し得る。但し、本実施形態は、このように限定されない。
【００１０】
図１に示すように、イオンビーム１２０は、伝播方向がイオン源１０２および基板ステージ１１２の間で変化する経路に沿って導かれる。イオンビーム１２０を、イオン源１０２で、質量分析スリット１０８で集束しその後扇形に広がって基板上に当たるリボンビームとして生成してもよい。イオンビーム１２０は、幅広リボンビームとしてコリメートされ、図示のデカルト座標系のＸ方向に沿ったその幅Ｗは、同じ方向における基板幅Ｗｓに相当する。したがって、基板ステージ１１２をＺ方向に沿って走査する際、イオンビーム１２０を基板１１４の全表面に与えることができる。
【００１１】
さらに図１に示すように、静電レンズ１１０は、質量分析スリット１０８の下流に配置されて、静電レンズ１１０に入射する際に発散しているイオンビーム１２０をコリメートする。静電レンズ１１０はさらに、トリプルモード静電コリメータとして作用し得る減速・加速レンズとしても構成される。種々の実施形態において、静電レンズ１１０は、３つの異なる電極を含む。イオン注入機１００はまた、電圧源システム１１６を含む。電圧源システム１１６は、静電レンズ１１０に電気的に接続され、３つの異なる電極それぞれに独立して電圧信号を供給するように構成される。電圧源システム１１６と静電レンズ１１０とは、異なるイオン注入条件に応じて静電レンズ１１０の動作を調整するために使用される静電レンズシステム１２４の一部を形成する。種々の実施形態において、電圧源システム１１６は、静電レンズ１１０の各電極毎に個別の電圧源（図示せず）と、異なる電極に送られる電圧信号を調整するコントローラ（図示なし）とを含んでもよい。これによって、電圧源システム１１６は、３つの異なる電極それぞれに独立して電圧を供給することができる。
【００１２】
静電レンズ１１０におけるイオンビーム１２０の入射エネルギーおよび基板１１４に与えるべき最終イオンビームエネルギーに応じて、静電レンズシステム１２４を用いて、イオンビーム１２０のコリメーションと併せて、イオンビーム１２０を加速、減速、またはエネルギー変化なしに基板まで伝送してもよい。これは、電圧源システム１１６が静電レンズ１１０の各電極で適切な電圧を生成する場合に、可能である。
【００１３】
図２は、さらなる実施形態と一致するイオン注入機２００の上面図のブロック図である。特に注記がない限り、イオン注入機２００は、イオン注入機１００と類似または同一の構成要素を有し得る。特に、イオン注入機２００は、ビームラインイオン注入機であって、イオンビーム２０４を走査スポットビームとして基板ステージ１１２に与え、基板ステージ１１２上に位置する基板１１４を処理するために使用される。イオン源２０２は、イオンビーム２０４を、ＸおよびＹ方向の断面寸法が、例えば２０〜３０ｍｍ等、同等であるスポットビームとして生成するように構成されてもよい。ＸおよびＹ方向に沿って３００ｍｍの寸法を有し得る基板１１４上をイオンビーム２０４で走査するために、イオン注入機２００は、静電レンズ１１０の上流に位置するスキャナ２０６を含む。スキャナ２０６は、Ｘ方向に沿って前後にイオンビーム２０４を走査し、静電レンズ１１０に入射するイオンのための一連の発散軌道を示す走査ビームを生成する。イオン注入機１００と同様に、動作において、静電レンズシステム１２４を用いて、イオンビーム２０４のコリメーションと併せて、イオンビーム２０４を加速、減速、またはエネルギー変化なしに基板まで伝送してもよい。これは、電圧源システム１１６が静電レンズ１１０の各電極で適切な電圧を生成する場合に、可能である。この場合、コリメーションは、スキャナ２０６で走査される際にその平均軌道が時間と共に変化するスポットビームに適用される。したがって、これらの異なる軌道は、図示の通り静電レンズ１１０によってコリメートされる。
【００１４】
図１、２のイオン注入機の実施形態のいずれにおいても、イオンエネルギーを増加させるか、減少させるか、または変化させないかにかかわらず、静電レンズシステム１２４を用いて、イオンビームのイオンエネルギーを調整しながら、発散イオンビームを適切にコリメートすることができる。特に、本実施形態の静電レンズシステムは、３電極静電レンズを提供する。３電極静電レンズにおいて、電極は、イオンビームがレンズ上流側からレンズ下流側へと伝播する際のビームラインに一列に設けられる。本明細書において、用語「上流」および「下流」は、イオンビームの移動方向に関連して用いられる。
【００１５】
後に詳述するように、静電レンズの３つの電極は、２つのギャップを画定する。第１および第２電極間の上流ギャップと、第２および第３電極間の下流ギャップである。本実施形態において、各ギャップは、一方の電極の凹面と他方の電極の凸面との対によって画定される。ある変形例において、「両凹凸」レンズは、第１および第２電極を含み、上流ギャップは、第１電極の出口（下流）側の凹面と第２電極の入口（上流）側の凸面とによって画定される。下流ギャップは、第２電極の出口側の凸面と第３電極の入口側の凹面とによって画定される。他の変形例において、「両凸凹」レンズは、第１および第２電極を含み、第１（上流）ギャップは、第１電極の出口（下流）側の凸面と第２電極の入口（上流）側の凹面とによって画定される。下流ギャップは、第２電極の出口側の凹面と第３電極の入口側の凸面とによって画定される。
【００１６】
図３Ａは、静電レンズシステム１２４のある実施形態の上面図のブロック図である。本実施形態において、静電レンズシステム３００は、「両凹凸」レンズである静電レンズ３０２を形成するように配置された３つの電極を含む。説明のために、図３Ａにおいて、静電レンズ３０２は上流側である左から下流側である右へとイオンビーム３１０を輸送するように構成されていると想定してもよい。
【００１７】
図３Ｂは、静電レンズ３０２の等角図である。図示の通り、静電レンズ３０２は、第１電極３０４と、第２電極３０６と、第３電極３０８とを含み、これら電極は、それぞれ開口部３３０、３３２、および３３４を通じてイオンビーム３１０を輸送するように配置される。図３Ｂに示唆されるように、いくつかの実施形態において、開口部３３０、３３２、および３３４はそれぞれ、静電レンズ３０２を通って伝播するイオンビーム３１０を囲むアパーチャによって形成されてもよい。他の実施形態において、１つ以上の電極は、同一電圧に設定されると共に離間されて開口部を画定する一対の対向平行板から構成されてもよい。分かりやすくするため、図３Ｂでは、イオンビーム３１０は狭イオンビームとして図示され、静電レンズ３０２に入射する際に走査されるスポットビームの瞬時位置または発散リボンビームの中心線軌道を表し得る。尚、いずれの場合でも、静電レンズ３０２は、発散イオンビームを受けて、当該イオンビームが静電レンズ３０２から出る前にイオンビームをコリメートするように構成される。
【００１８】
さらに図３Ａに示すように、複数の電圧源を含む電圧源システム３２０が、静電レンズ３０２に接続される。具体的に、第１電圧源３２２は、第１電極３０４に連結され、第２電圧源３２４は、第２電極３０６に連結され、第３電圧源３２６は、第３電極３０８に連結される。コントローラ３２８を配置して、第１電圧源３２２、第２電圧源３２４、および第３電圧源３２６によって出力される電圧信号を調整する。特に、第１電圧源３２２、第２電圧源３２４、および第３電圧源３２６は、それぞれお互いに独立して動作してもよい。例えば、コントローラ３２８は、各電圧源３２２、３２４、３２６に対して、他の電極の電圧と関係なく、それぞれ第１電極３０４、第２電極３０６、第３電極３０８に送るべき電圧を生成するように指示してもよい。これによって、各電極３０４、３０６、３０８上で静電電位（電圧）を独立して制御することができる。後述の通り、この独立電圧制御により、静電レンズを３つの異なるモードで動作させることが可能になる。但し、概して、電圧源システム３２０は、静電レンズ３０２を第１モード、第２モード、および第３モードで動作させる電圧信号を生成するように構成される。第１モードでは、第１電極３０４および第２電極３０６は、相互動作して、イオンビームを加速およびコリメートする。第２モードでは、第２電極３０６および第３電極３０８は、相互動作して、イオンビームを減速およびコリメートする。第３モードでは、第１電極３０４、第２電極３０６、および第３電極３０８は、相互動作して、イオンビームを加速、減速、およびコリメートする。望ましいビーム条件にしたがって、コントローラ３２８は、上記のモードのうちの１つを選択してもよい。
【００１９】
さらに図３Ａに示すように、第１電極３０４は、第１電極３０４の出口（下流）側に凹面３１２を有し、これは、第２電極３０６の入口（上流）側に位置する凸面３１４と対向する。本明細書において、用語「凸」および「凹」は、当該電極本体に対する各面の形状を表す。
【００２０】
さらに、第２電極３０６は、第２電極３０６の出口側に凸面３１６を有し、これは、第３電極３０８の入口側に位置する凹面３１８と対向する。こうして、静電レンズ３０２は、両凹凸レンズを構成し、その形状によって、後述するように発散イオンビームをコリメートするためのフレキシビリティが得られる。
【００２１】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、静電レンズシステム３００を動作させる３つの異なるシナリオを示す。具体的に、図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、静電レンズシステム３００が加速レンズ、減速レンズ、およびイオンビームを加速および減速するレンズとして動作する３つのそれぞれ異なるモードを示す。図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃにおいて、それぞれの発散イオンビーム４１０、４２０、および４３０は、静電レンズ３０２の上流で生成される。それぞれの場合において、発散イオンビーム４１０、４２０、および４３０は、走査スポットビームまたはリボンビームであってもよい。
【００２２】
図４Ａの例において、発散イオンビーム４１０は、静電レンズ３０２に入射し、加速およびコリメーションを受け、コリメートビーム４１２として静電レンズ３０２から出射する。これを実現するために、第１電圧源３２２は、第１電極３０４に電圧ＶＥ１を供給し、第２電圧源３２４は、第２電極３０６に電圧ＶＥ２を供給する。ここで、ＶＥ１＜ＶＥ２である。ある例において、ＶＥ１を、発散イオンビーム４１０が静電レンズ３０２に入射する際の発散イオンビーム４１０のイオンビーム電位に設定してもよい。したがって、発散イオンビーム４１０が第１電極３０４および第２電極３０６の間の上流ギャップを通過する時、電圧差ＶＥ２−ＶＥ１は、異なる初期軌道を有し得る異なるイオンをコリメートしつつ、イオンを加速するように作用する。第１電極３０４の凹面３１２の形状および第２電極３０６の凸面３１４の形状により、発散イオンビーム４１０を加速する効果は、イオンが第１電極３０４および第２電極３０６の間の電界を通過する際にイオンをコリメートすることになる。結果として得られるイオンは、平行軌道を有するコリメートイオンビーム４１２として、第２電極３０６を通過する。同時に、第３電圧源３２６は、第３電極３０８に電圧ＶＥ３を供給する。ここで、ＶＥ３＝ＶＥ２である。このため、コリメートイオンビーム４１２のイオンは、第２電極３０６および第３電極３０８の間の電界に遭遇しない。したがって、コリメートイオンビーム４１２のイオンは、第１および第２電極間で生じた加速により決定されたエネルギーを有する平行イオンビームとして伝播する。
【００２３】
尚、図４Ａに示すシナリオは、静電レンズを通過した後にビーム速度が２倍以上上がるような、イオンビームを相当加速することが望ましい状況に適し得る。電極３０４、３０６、および３０８の形状は例示であって必ずしも正確な縮尺ではないが、実際の電極３０４、３０６、および３０８に適度な湾曲を取り入れてもよい。
【００２４】
図４Ｂの例において、発散イオンビーム４２０は、静電レンズ３０２に入射し、減速およびコリメーションを受け、コリメートビーム４２２として静電レンズ３０２から出射する。これを実現するために、第１電圧源３２２は、第１電極３０４に電圧ＶＥ１を供給し、第２電圧源３２４は、第２電極３０６に電圧ＶＥ２を供給する。ここで、ＶＥ１＝ＶＥ２である。ある例において、ＶＥ１およびＶＥ２を、発散イオンビーム４２０の電位に設定してもよい。したがって、発散イオンビーム４２０が第１電極３０４および第２電極３０６の間のギャップを通過する時、発散イオンビーム４２０は電界に遭遇せず、第１電極３０４や第２電極３０６を通過する際にイオン軌道は変化しない。よって、発散イオンビーム４２０は、発散ビームとして第２電極３０６を通って伝播し続ける。
【００２５】
同時に、第３電圧源３２６は、第３電極３０８に電圧ＶＥ３を供給する。ここで、ＶＥ３＜ＶＥ２である。このため、発散イオンビーム４２０のイオンは、第２電極３０６および第３電極３０８の間の電位ＶＥ３−ＶＥ２によって生成される電界を通じて減速する。第２電極３０６の凸面３１６の形状および第３電極３０８の凹面３１８の形状により、発散イオンビーム４２０を減速する効果は、イオンが第２電極３０６および第３電極３０８の間の電界を通過する際にイオンをコリメートすることになる。したがって、発散イオンビーム４２０は、コリメートされて、コリメートイオンビーム４２２となり、静電レンズ３０２から出射する。
【００２６】
尚、図４Ｂに示すシナリオは、静電レンズを通過した後にビーム速度が２倍以上下がるような、イオンビームを相当減速することが望ましい状況に適し得る。  
【００２７】
図４Ｃの例において、発散イオンビーム４３０は、静電レンズ３０２に入射し、コリメーションを受け、コリメートビーム４３２として静電レンズ３０２から出射する。図４Ｃのシナリオにおいて、静電レンズ３０２は、加速・減速組み合わせモードまたは単に「組み合わせモード」で動作するように構成される。組み合わせモードにおいて、静電レンズ３０２のそれぞれの電極上で電圧を確立し、入射発散イオンビーム４３０に初期加速を与えた後、加速イオンビームを減速する。
【００２８】
これを実現するために、第１電圧源３２２は、第１電極３０４に電圧ＶＥ１を供給し、第２電圧源３２４は、第２電極３０６に電圧ＶＥ２を供給する。ここで、ＶＥ１＜ＶＥ２である。したがって、発散イオンビーム４３０が第１電極３０４および第２電極３０６の間のギャップを通過する時、発散イオンビーム４３０は加速電界に遭遇し、第２電極３０６を通過する際にイオン軌道は変化する。さらに図４Ｃに示すように、電圧差ＶＥ２−ＶＥ１は、イオン軌道が完全にはコリメートされないように設定され、加速発散イオンビーム４３４は、第２電極３０６を通過する。この場合、加速発散イオンビーム４３４は、部分的にコリメートされ、静電レンズ３０２に入射する時に、加速発散イオンビーム４３４の発散角θ２は、発散イオンビーム４３０の発散角θ１未満である。
【００２９】
同時に、第３電圧源３２６は、第３電極３０８に電圧ＶＥ３を供給する。ここで、ＶＥ３＜ＶＥ２である。第２電極３０６の凸面３１６の形状および第３電極３０８の凹面３１８の形状により、加速発散イオンビーム４３４を減速する効果は、イオンが第２電極３０６および第３電極３０８の間の電界を通過する際にイオンをコリメートすることになる。したがって、発散イオンビーム４３０は、静電レンズ３０２を通過する際に、２ステップでコリメートされる。
【００３０】
種々の実施形態における図４Ｃのシナリオについて、電圧ＶＥ３およびＶＥ１は、等しくてもよく、または、閾値内で異なっていてもよい。よって、図４Ｃのシナリオは、静電コリメータによって生成されるイオンビームエネルギーの変化を閾値未満に維持すべき場合に適切な動作モードを示す。いくつかの例において、図４Ｃの組み合わせモードは、所与の比がある閾値を下回る場合に適用されてもよい。例えば、静電コリメータに入射したイオンの入射イオン速度Ｖ０と静電コリメータから出射した後のイオンの最終イオン速度Ｖ１との比を、Ｖ０／Ｖ１＝ｋと定義してもよい。いくつかの例において、静電レンズ３０２は、ｋの値が０．５〜２の時、特に、ｋの値が１に等しい時に、組み合わせモードで動作するように設定されてもよい。このように、初期イオンエネルギーが２０ｋｅＶである発散イオンビームを用いる実装において、イオンエネルギーは速度の２乗に比例することから、最終イオンエネルギーが５ｋｅＶ〜８０ｋｅＶの範囲の場合に組み合わせモードを用いてもよい。
【００３１】
このように、静電レンズ３０２のトリプルモード動作によって、広範囲の入力イオンエネルギー対出力イオンエネルギーの比にわたって、静電コリメータおよび加速・減速レンズとしての動作が促進される。特に、コリメーション後の最終イオン速度がコリメーション前の初期イオン速度から２倍を超えて逸脱しない場合、本実施形態は、既知のコリメータシステムと比べて明らかな利点を有する。とりわけ、本実施形態において、組み合わせモードの動作は、当該特定のイオン速度比の範囲に限定されるわけではなく、他の実施形態においてより広いまたは狭い範囲に採用可能である。したがって、本実施形態によると、特にイオンビームのコリメーション中に適度の加速または減速を行うべきシナリオにおける低エネルギー範囲において、イオンエネルギーの有用動作範囲が広がる。
【００３２】
図５は、さらなる実施形態にかかる他の静電レンズシステム５００の上面図である。当該静電レンズシステムは、「両凹凸」レンズの代わりに、「両凸凹」レンズとして構成される静電レンズ５０２を含む。第１電極５０４は、イオンビーム５１０に対して出口側に第１凸面５１２を有し、これは、第２電極５０６上の第１凹面５１４と対向する。また、第２電極５０６は、出口側に第２凹面５１６を有し、これは、第３電極５０８上の第２凸面５１８と対向する。動作において、第１凸面５１２および第１凹面５１４の間の第１ギャップ５２０を減速場として用いてコリメーションを与え、第２凸面５１６および第２凹面５１８の間の第２ギャップ５２２を加速場として用いて再度コリメーションを与えてもよい。特に、コントローラ５２８は、静電レンズシステム５００を、加速モード、減速モード、または組み合わせモードで動作させてもよい。図３Ａ、３Ｂの静電レンズシステム３００と同様、組み合わせモードにおいて２つの比を設定して、１に近い入射イオンエネルギー対出力イオンエネルギーの全体比であっても、良好な光学系を得ることができる。加速モードでは、第１電極５０４および第２電極５０６を第１電位に設定し、第３電極５０８を第１電位より高い第２電位に設定する。減速モードでは、第１電極５０４を第１電位に設定し、第２電極５０６および第３電極５０８を第１電位より低い第２電位に設定する。組み合わせモードでは、第１電極５０４を第１電位に設定し、第２電極５０６を第１電位より低い第２電位に設定し、電極５０８を第２電位より高い第３電位に設定する。図４Ｃに示す実施形態と同様、組み合わせモードで動作する時、静電レンズ５０２は、第１ギャップ５２０および第２ギャップ５２２にわたって２ステップでイオンビーム５１０をコリメートするように動作し、ここで、静電レンズ５０２は、両ギャップ５２０、５２２で収束を加える。但し、この場合、イオンビーム５１０を、まず減速しその後加速する。
【００３３】
本発明は、本明細書に記載する特定の実施形態によりその範囲を制限されない。実際、本明細書に記載した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態および変更は、先の記載および添付図面から、当業者に明らかであろう。よって、このような他の実施形態および変更は、本発明の範囲に含まれるものである。さらに、本発明は、特定の目的に対する特定の環境における特定の実施の文脈で本明細書に記載されているが、当業者は、その有用性がこれに限定されず、本発明は多くの目的に対して多くの環境において有利に実施できることを認識するであろう。したがって、後述の特許請求の範囲は、本明細書に記載する本発明の全容および精神を考慮して解釈すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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