JP2008541406A - 原子及び分子の低不純物強イオンビームの製造用共鳴方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、有用な強度で前もって製造することが以前は不可能であった高強度の多種多様な求められている正及び負の分子状及び原子状イオンビームを製造するための小型で経済的な装置を包含する。更に本発明は、求められているイオンと一緒にしばしば同時に放出される随伴背景イオンを実質的に拒否する。本発明の基礎を成す原理は、共鳴イオン化・移送であり、該原理では共鳴プロセスと非共鳴プロセスとの間のエネルギー差を利用して特定電荷変化プロセスを促進するか又は弱める。この新ソース技術は、加速器質量分析、分子イオン注入、有向中性ビームの発生、及び磁場内におけるイオンビーム中性化に必要な電子の生成の分野に関連する。商業的重要性を有する一例は、デカボラン分子、Ｂ_１０Ｈ_１４のイオン化であり、該イオン化ではデカボラン分子と砒素原子との間で殆んど完全なイオン化共鳴一致が生ずる。

Description

〔関連出願の引用〕
本願は、２００５年５月２０日に出願された米国仮出願番号、６０／６８３，０１６及び２００５年７月２０日に出願された米国特許出願番号、１１／１８５，１４１の優先権を主張するものであり、それらの開示を本明細書に引用して援用する。

〔本発明の分野〕
加速器質量分析、同位元素年代測定、高エネルギー半導体注入、低エネルギー半導体イオン注入、分子ビーム注入、クラスタービームイオン化、デカボランイオン化、等重粒子拒否（ｉｓｏｂａｒｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）に関する。

説明すべき技術は、科学的研究のいくつかの分野において及び産業において重要な応用を有している。これらには、分子イオン注入、有向中性ビームの発生、磁場内におけるイオンビーム中性化に必要な低エネルギー電子の生成、加速器質量分析（ＡＭＳ）測定中における望まれていない同重核の減衰が含まれる。かかるプロセスを以下に簡単に説明する。

半導体産業における分子イオン注入
超浅接合部の形成は、２，３百電子ボルトと３ｋｅＶの間のエネルギーを有するイオンビームを必要とする。有用な製造処理能力を成し遂げるために商業化には高ビーム電流を要するけれども、かかる低エネルギーイオンビームを抽出し輸送することは実質的に難しい。基礎的な問題は、ビーム「膨張」を避けるためにイオンビーム内に妥当な数の空間電荷中性化電子又は負のイオンを導入し維持することである。第二次世界大戦及びマンハッタン計画以来周知の古典的な中性化方法には、ビーム粒子と残渣ガス分子との衝突によりイオンビームの空間電荷ウェル内で分子のイオン化によって生成する電子の発生が含まれる。不運にも、この方法は低い粒子速度で効果が無くなり、他の技術を使用しなければならない。

この問題を避ける重要な提案がＹａｍａｄａ等により１９９３年になされ、雑誌、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ、７９巻、２２３頁に報告された。Ｙａｍａｄａの提案は、求められている原子種の個々の原子の代りに求められているイオンの１価の分子クラスターを使用すれば、低エネルギー注入の問題は実質的に軽減されるであろうというものであった。ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｐｏｒｔ“ＩＩＴ２０００”でＪａｃｏｂｓｏｎ等により記載された一つのかかる分子置換は、適切なイオン源から抽出され個々のＢ^＋原子だけから成る注入イオンビームよりも約１１倍大きな運動エネルギーに加速しつつあるイオン化分子状デカボラン（Ｂ_１０Ｈ_１４ ^＋）を使用した。一例として、５００ｅＶ硼素原子の注入の間デカボラン親イオンは５．５ｋｅＶのエネルギー、即ち、分子イオンが近代的注入器を通って容易に運ばれることを可能にするエネルギーまで加速されるであろう。明らかに、電荷収集を用いた測定注入量は、従来の硼素注入を用いたものと較べて１０倍に拡大され、空間電荷力をそれに相応して減少せしめる。

半導体の製作に対するこの方法の有用性を確認するために、数人の研究者が具体的な装置の構成にデカボラン注入を実証している。ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｐｏｒｔ“ＩＩＴ２０００”の３０４頁でＡ．Ｐｅｒｅｌにより報告された一例では、珪素中へのクラスター注入に続く硼素原子の深部分布を確立するために二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定がなされた。Ｐｅｒｅｌのデータにおいては、従来から注入されていた硼素原子の深部分布及び同速度の分子状Ｂ_１０Ｈ_１４ ^＋注入の間で明白な区別は示されなかった。

デカボラン分子構造の実質的な解離なしにデカボランをイオン化するために電子ビームを使用する方法及び装置は、米国特許６，４５２，３３８及び６，６８６，５９５でＨｏｒｓｋｙにより記載されている。更に、Ｖｅｌｌａは米国特許６，５７３，５１０ Ｂ１で、１価のデカボランイオンを製造することが出来る二室電荷交換源用の方法及び装置を記載している。

本開示においては、１価の分子状デカボランイオンを製造するための別の高効率イオン化方法を記載する。該方法は分子状又は原子状イオン間における共鳴性電荷交換の周知現象を使用し、そこでは入射初期イオンビームをイオン化され加速されるべきクラスター分子又は原子を含有する領域に通過させる。当面の応用は高電流の１価デカボランイオンの製造であるが、他の原子及び分子種を含む応用も又、低エネルギー注入に必要な他のビームに対する要求が成長するに従って、重要になることが期待される。

この手順をＨｏｒｓｋｙ及びＶｅｌｌａによる上述の装置よりも魅力的にする特色には、（１）より高電流の荷電デカボランは共鳴手順を用いて入手可能になる筈であること、（２）相互作用の選択的共鳴性のために生成する望ましくない素材の背景はより小さくなる筈であること、が含まれる。

加速器質量分析（ＡＭＳ）
ＡＭＳは多数の著者により詳細に記載されているが、彼等はＡＭＳ技術を^１０Ｂｅ，^１４Ｃ，^２６Ａｌ，^３６Ｃｌ，及び^１２９Ｉのような安定性稀放射性同位元素の検出に応用出来る方法を提供している。かかる記載には、Ｐｕｒｓｅｒに付与された米国特許第４，０３７，１００号、雑誌、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ、１６２巻、６３７頁、（１９７９年）における「静電加速器に基づく超感受性粒子同定システム」という題名のＰｕｒｓｅｒ，Ｋ．Ｈ．，Ｌｉｔｈｅｒｌａｎｄ，Ａ．Ｅ．及びＧｏｖｅ，Ｈ．Ｅ．による論文が含まれる。これらの刊行物は、ＡＭＳを使用すると多数の稀放射性核の検出限界比は安定性元素状同位元素の濃度と比較して１０^−１４と１０^−１６との間であることがお決まりであると、指摘している。これらの比は、従来の質量分析を用いて可能であるよりも６次の大きさよりも大きな感受性を示している。

かかる低い存在度で放射性原子を検出する際の主要な問題は、親元素の高ビーム電流が不可欠であるということである。例えば、放射性原子の単一原子検出に対しては、親元素の１０^−１６（親元素の原子数と比較して）ミリアンペアビーム未満の濃度が望ましい。更に、かかるビームは分子状及び等重の汚染物質が低量で出来るだけ純粋でなければならない。

ＡＭＳ測定の目的に対して、本発明は共鳴プロセスと非共鳴プロセスとの間の差を利用して特定の元素種の増大又は減衰を可能にすることが出来る。例えば、セシウム原子を含有するセルを横断するＣｓ⁻イオンのビームは、非同一原子に対してよりもはるかに効率的にＣｓ原子に対して電荷を移送するであろう。従って、存在するかもしれない他の非同一原子を犠牲にして該セル内で形成される静止した負のセシウムイオンを抽出することが出来る。

現在、大部分のＡＭＳ機器は負のイオンを生成させるためにスパッタ源を使用しており、かかる源はＮｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ、２１４巻、２１４頁、（１９８３年）に報告された「負イオンセシウムスパッタイオン源」にＲ．Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎにより記載されている。一般的に、これら源からの負イオンの収率は、負イオンの質量と共に急速に減少し、又電子親和力の減少と共に減少する。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、１９巻、５６６１頁、（１９７９年）においてＮｏｒｓｋｏｖ Ｊ．Ｋ．等により提供された結果、「スパッタリングにおける二次イオン放出」に従うと、スパッタリングされた中性原子に対する生成負イオンの比、εは、下記式により与えられる：

式中、βは前記Ｎｏｒｓｋｏｖ及びＬｕｎｄｑｕｉｖｓｔのそれに関連する定数であり、
φはスパッタリングされた表面の仕事関数であり、
Ａはスパッタリングされた種の電子親和力であり、
Ｍはスパッタリングされた種の質量である。

式１から、重いイオンに対するスパッタ源からの負イオンの収率は炭素、即ち、大きな電子親和力を有する軽い原子に対する収率よりも劇的に低い傾向にあることが理解出来る。結果として、負のイオンは至る所に存在するけれども、電子親和力が小さい種に対しては、スパッタ源からのイオン生成速度が非常に低い可能性があるので該ビームは多くの測定に対して役に立たない。

本発明の共鳴に近い転移を使用すると、上記のスパッタリング障害はもはや結合の弱い負イオンのビーム形成を制限しない。更に、後で議論されるように、該両パートナーの正確に等しい電子親和力は効率的な電荷転移にとって不可欠ではない。

中性ビーム技術
重要になった注入材料群には、百万電子ボルトに近いエネルギーを有するイオンが含まれる。この高エネルギー注入の成長に対する一理由はトランジスターの小型化であった。長期にわたって、個々のトランジスターはより小さく且つより緊密となり、又はるかに低い電圧で作動する。これらの変化は元素間の静電容量の増加に至ったが、該増加は個々の回路間の寄生電流結合を引き起こすかもしれず、該寄生電流結合は回路の不安定性を生じ得る。これらの望ましくない結果を避けるために、トランジスター回路をお互いから、そして、寄生電流が流れるかもしれない下の基板から電気的に単離する障壁を導入することがしばしば有用である。かかる基板単離は、活性回路の下に低抵抗率層を埋め込むことにより生じさせることが出来る。一般に、かかる処理に必要なエネルギーは、０．８〜３．０ＭｅＶの範囲にあり、従来の埋め込み或いは複雑な無線周波加速器の設置の間に使用されるものと比較して高い加速電圧の使用を必要とする。

市販の高エネルギー注入器類は直流電圧を使用し、又百万電子ボルト範囲のエネルギーを有するイオンを生成させるためにタンデム型加速原理を利用している。このプロセスの間、負のイオンは接地から正端子まで加速され、そこで入射負荷電イオンの電荷は該負イオンから電子を抜取ることにより正の極性に変換される。次の加速段階はこれらの正イオンを大地電位に戻す。

不運にも、必要な負イオン生成用の断面は小さくなる傾向があり、ビーム電流強度をしばしば制限するのはこのタンデム型加速システムの限界である。この問題を避ける一つの方法は、百万ボルト直流タンデム型構成の第一段階を通って加速なしに押し流される需要があるイオンの中性ビームを使用することである。該中性ビームは中性粒子を高電圧端子に運び、そこで該中性粒子は、該イオンが適切な気体セル又は箔を通過するに従って、１個以上の電子を除去することにより正の極性に電荷変換される。効果的に、この方法は正極性端子内で正イオンを生成させ、そこから該正イオンは途中でエネルギーを得ながら大地電位に戻るように加速される。かかる案の重要性は、〜ＭｅＶのエネルギーを有するイオンのビーム強度をしばしば次数の大きさ程度実質的に増加させることが出来るということである。

かかる中性ビームを生成させるための^１１Ｂビーム中性化の研究は、Ｉ．Ｔｏｍｓｋｉによりなされ、彼が１９９７年にＴｏｒｏｎｔｏの大学に提出した理学修士論文に報告されている。この研究の特色は、有向硼素イオンの速いビームの中性化に分子を使用したという事であった。これらのイオンは、有機分子アニソール（Ｃ_７Ｈ_８Ｏ）の低圧蒸気で満たされたセルに通過させられた。アニソールの有用性は、硼素用のイオン化電位は８．２９ｅＶであり、硼素に対する殆んど完全な共鳴イオン化調和をアニソールが提供するという事である。３種の物質、水（イオン化電位１２．６１２ｅＶ）、メタノール（１０．８５ｅＶ）及びアニソール（８．２１ｅＶ）に対して断面積が測定された。１０ｋｅＶで１０^−１５ｃｍ^２の単位でＢ^＋からＢ^０に対して測定された断面積は、水が２．１＋／−０．２であり、メタノールが２．７＋／−０．２であり、アニソールが５．９＋／−０．６で共鳴に近い効果が示された。

共鳴相互作用の基礎をなす背景
範囲の限定は意図していないけれども、正の原子又は正の分子と中性の原子又は中性の分子との間の電荷移動反応は以下のように書くことが出来る。
Ｙ^０＋Ｘ^＋→Ｙ^＋＋Ｘ^０・・・・・・・・（１）

かかる反応の間に、最初は中性のターゲット原子Ｙ^０の一部であった電子が移動中の荷電入射粒子Ｘ^＋に移され、最初の荷電Ｘ^＋を電気的に中性にし、最初の静止原子Ｙ^０を正荷電Ｙ^＋にする。ここで、Ｘ粒子もＹ粒子も原子又は分子であることが出来る。使用されている取決めは、Ｘ^＋は反応を開始する入射粒子の原子又は分子のことを言い、Ｙ^０はターゲット原子又は分子であるということである。しかしながら、速い中性ビームの生成中、入射正イオンＸ^＋がやはり中性電荷に変換され、前もって集束された有向速イオンを有向中性粒子ビームに変換させることが出来ることに留意しなければならない。又、同じタイプの共鳴相互作用を、負イオンと中性粒子との間の共鳴電荷変換の生成に使用することが出来る。

かかる相互作用に対する断面積を推定するための有力な支配的パラメーターは、中性目的原子Ｙ^０のイオン化電位又は電子親和力と未荷電入射粒子原子Ｘ^０のそれとの間のエネルギー差ΔＥである。ΔＥが小さい場合、式１により記載された反応に対する断面積は大きく、共鳴電荷移動に対する高い可能性をもたらすことが出来る。

この効果に対する物理学的根拠は、原子又は分子がお互いを通過すると、両方の粒子の波動関数が結合して両粒子間の電子振動を誘発するという事である。このプロセスに対する断面積は、両粒子間の電子結合エネルギー差が小さい時に、そして該相対速度が低い時に、大きくなる。これらは、共鳴性の又は共鳴に近い電子移動のための前提条件である。対照的に、両粒子の各々に対する電子結合エネルギーが実質的に異なる場合、共鳴状態はもはや支配的でなくなり、電子移動断面積はより小さくなるであろう。

当業者は、上記の二原子系が同じ振動数に合わせられた一対の弱く結合した振動子という原子類似体であることを認識するであろう。二つの弱く結合した同一振り子の場合、振動運動は第一の振り子から第二の振り子に移されることが周知である。第一振り子のエネルギーのすべてが第二振り子に移された場合、該プロセスは逆になり、エネルギーは第一振り子に戻る。このように、エネルギーは両成分の間を際限なく、往復して移される。原子系に対しては、電子が二つの原子又は分子、Ｘ及びＹの間を振動し、もしΔＥが小さいならば、電子移動に対する「反転」振動数は大きくなる。該一対が最終的に分離する場合、電子は一方の成分又は他方の成分上に捕捉され、他方の相手に移される入射荷電粒子強度の約５０％の収率を生ずる。この効果をうまく利用するように設計されたイオン源は、正及び負の両イオンビーム生成用の新領域を利用可能にする。

かかる共鳴電荷移動プロセスを説明する詳細な理論は、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ４巻、２５７９頁、（１９７４年）の論文「電子及びイオンの衝突現象」にＨ．Ｓ．Ｗ．Ｍａｓｓｅｙ及びＨ．Ｂ．Ｇｉｌｂｏｄｙにより、又、Ａｔｏｍｉｃ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｄａｔａ Ｔａｂｌｅｓ４９巻、２５７〜３１４頁、（１９９１年）の「原子及びそれらの正イオンの間の共鳴性移動のための断面積」にＳａｋａｂｅ，Ｓ．及びＹａｚｕｋａｚｕ，Ｉ．により提供されている。基礎原子が同一な場合、又は粒子が異なり電子結合エネルギーが実質的に同じである場合、共鳴性電荷移動の可能性は、衝突パラメーターの値が大きくても、相当なものである。共鳴に近い電子移動に対する断面積の変化に関する有用な訂正推定は、「加速器質量分析における同重核分離のためのイオン反応」という題名の論文にＬｉｔｈｅｒｌａｎｄ等により公示され、又、雑誌Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｂ、２０４巻、３２３〜３２７頁、（２００３年）に公示されている。

更に、上記のＬｉｔｈｅｒｌａｎｄの参考文献から、両方の相手の正確に等しいイオン化電位は効率的な電荷移動にとって不可欠なものではないことに注意すべきである。不確定性原理から共鳴イオン化に対する断面積の大きさを大体予測することが出来るが、該原理は、もし積ΔＥｘΔｔがｈ／２πの次数であるならば、該断面積は高いだろうということを示している。ここで、ΔｔはＤ／ｖ（ｖは速イオンの速度であり、Ｄは該分子の「大きさ」である）の次数である。例えば、もしもＤが１ナノメートルであり並進エネルギーＥが入射Ａｓ^＋イオンに対して１０ｋｅＶであれば、その時はΔＥは１０７ｍｅＶの大きさとなるであろう。しかしながら、当業者は、Ｄが良くは定義されていないことを、そして共鳴性断面積は突然変化しないがイオン化エネルギー差が増加するに従って滑らかに低下することを認識するであろう。ΔＥが上記の推定された大きさよりも数倍大きい場合、有用な共鳴イオン化が依然として期待される。

形成のメカニズムは最近まで明確にされなかったけれども、核研究に使用される重質の負イオン生成に関する知識には、非同一負原子イオン間の上記電荷移動メカニズムを説明する一公知例が存在する。独立のイオンビームとして抽出されるように発生されていたいかなるＣａ⁻イオンをも許容する幾何学的形状において、中性カルシウム原子の蒸気にＨｅ⁻イオンのビームを通過させた時になされたこの測定により、Ｃａ⁻ビームの測定強度（〜１マイクロアンペア）は驚くほどに高いことが示された。結局、該結果は珍しいものと考えられた。詳細は、Ｋ．Ｃｈａｐｍａｎにより編集されフロリダ州大学により発行されたＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＮＥＡＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔａｌｌａｈａｓｓｅｅ Ｆｌｏｒｉｄａ、６頁、（１９７２年）内の「Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ Ｔａｎｄｅｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙでなされた開発」という題名の論文にＫ．Ｈ．Ｐｕｒｓｅｒにより報告された。該実験の目的は核物理測定用高エネルギーＣａ⁻イオンの生成であり、１マイクロアンペアのイオン電流は妥当すぎるほどであったので、この値を超えて出力電流を増加させる努力は全くなされなかった。しかしながら、最近、Ｈｅ⁻の電子親和力は〜０．０７８ｅＶであり、Ｃａの電子親和力は〜０．０２２ｅＶであることが現在しられており、最初のＨｅ⁻イオンと蒸気状の中性Ｃａ原子との間の共鳴電荷交換はＣａ⁻生成用の断面積を増大させると認識された時、高生成速度の理由が明白になった。

範囲の限定は意図していないけれども、かかる共鳴プロセスの有用性を示す重要な例は砒素原子の遅いビームによるデカボランのイオン化である。上述したように、効率的な移動の手掛かりはデカボランのイオン化電位が該励起ビームのそれに近くなければならないということである。実験的に、Ｂ_１０Ｈ_１４のイオン化電位は９．８８＋／−０．０３ｅＶであると正確に測定されている。このイオン化電位に調和する最も近い原子粒子は砒素Ａｓであり、それは殆んど同一のイオン化電位−９．８１５ｅＶを有する。更に、Ａｓの最初の励起状態は、デカボラン分子の測定イオン化電位との共鳴から離れた１３１．９ｍｅＶ（ミリ電子ボルト）又はほんの３０ｍｅＶにある。該両基底状態間のイオン化電位差ΔＥは〜８０ｍｅＶに過ぎないので、最も低いエネルギーで強い共鳴が期待出来る。１０ｋｅＶのエネルギーを有する入射Ａｓ^＋イオンに対してデカボランとの相互作用のための計算断面積は２．７７ｘ１０^−１５ｃｍ^２であり、１ｋｅＶのエネルギーを有するＡｓ^＋イオンに対して該共鳴効果はなおさら顕著であって、計算された交換断面積は−３．９４ｘ１０^−１５ｃｍ^２、即ち原子規模における実質的な面積である。

かかる共鳴イオン化プロセスの重要な特色は、天然量子の機械的振動数が境界明瞭で狭いので、かかる反応が選択的であるという事であり、他のデカボラン構成からの背景解離生成物は少ないであろうと予想され、該崩壊粒子の大部分は水素であろうと予期される。それにも拘らず、当業者は、高エネルギー入射砒素イオンはデカボラン分子と時々正面衝突をし、該分子を粉砕して粒子の背景を生成させるが、該粒子は低分離磁界偏向又は混線領域速度フィルタリングを使用して荷電デカボランビームから除去されなければならないであろうと認識するであろう。

１価のデカボランを発生させるために上記の方法を非常に魅力的にする実際の局面は、第一に、Ａｓとデカボランの間でイオン化エネルギーが密接に一致するということであり、第二に、Ａｓ^＋の２０〜３０ｍＡ電流を適格なイオンビーム状で容易に発生させることが出来るということである。硼素注入用に求められているエネルギーは、デカボラン源室を求められている最終注入エネルギーよりも〜１１倍高い電位に上げることにより、デカボランイオンが注入に必要などんなエネルギーまでも加速されるように調整することによって、調節することが出来る。一例として、３ｋｅＶの注入エネルギーを有する原子を用いた硼素注入の生成のために、デカボラン源は〜３３ｋｅＶの電位に上げられるであろう。実際には、入射Ａｓ^＋イオンは１ｋｅＶに近いエネルギー又は電荷交換共鳴を最大にするのに最も妥当と判断される任意のエネルギーを有するデカボランセルに入るであろうが、このエネルギーが重要なパラメーターになるとは予想されない。

明らかに、共鳴効果をうまく利用してあらゆるイオンを高い強度で生成させるためには、様々な電子親和力を有する種々の初期ビームが必要である。当業者は、低強度ビームを生成させるためにヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンの様な稀ガス原子を用いて多数の実験が行われたことを、そして、これらの原子ガス及びそれらの結合イオンビームを用いてイオン共鳴移動方法が充分に確立されていることを認識するであろう。しかしながら、高強度（１ミリアンペアより大きい）ビームは以前に製造されていない。明らかに、他の大部分の原子に対しては、より多くの研究が必要である。原子群及び分子群の両方に対してイオン化電位を決定するためにより多くの研究が必要であるけれども、確実にそして「初期ビーム」として有用と考えてもよい強度で発生させることが出来る分子状及び原子状イオンは既に多数存在することは当業者に明白であろう。

〔詳細な説明〕
図面、最初にその図１を参照すると、そこには、セル１０２に入り、該セル内に含まれたガス又は蒸気１０３を通過する初期イオンビーム１０１が示されている。該初期イオンビーム１０１としては負の又は正のイオンを使用することが出来、それは原子状又は分子状であることが出来る。該セル１０２内で、該試料１０３は適切な蒸気圧でガス状又は蒸気状で維持されている。必要ならば、適切なヒーター又は冷却器を使用して温度制御を必要としてもよい。該初期イオンビーム種１０１は、該イオン種１０１の電子親和力又はイオン化電位が、負の又は正のイオンに変換されるべき該ガス又は蒸気１０３を構成する原子又は分子の電子親和力又はイオン化電位と大体等しくなるように、選択される。得られるイオン１０６は、初期イオンビームが入る側とは反対のセル側から縦方向に抽出され、抽出光学素子を用いて適切なイオンビーム１０７に形成されるが、該光学素子のデザイン及び操作は当業者に周知である。

初期ビームとしてＡｓ^＋を用いたデカボランイオン化の場合、該断面積はおおよそ３．５ｘ１０^−１５ｃｍ^２であると予想される。もしもデカボランの統合厚みが〜１０^１５／ｃｍ^２となるように調整されるならば、砒素イオンが該セルを通過する時Ａｓ^＋イオンとデカボラン分子との共鳴電荷交換衝突は約３回となるであろう。該源箱内で形成されたデカボランイオンの抽出は、抽出口１０８を通って該源箱内に侵入する電界によって成し遂げられる。抽出は又、当業者に周知の、該源箱内における小電界の導入により、又はＥｘＢドリフトを生成する電界及び磁界の交差により誘発されたイオン運動の使用により、促進することが出来る。

図２に示されているように、ある場合には、初期イオンビーム２０１の入射方向と直角に求められているイオンを抽出することがより便利となるであろう。正の電位に上げられているセル２０２の中央にある蒸気又はガス試料は、入射初期粒子ビームにより衝撃を与えられる。該ガス内で生成するイオンは、該求められている荷電イオンを抽出光学素子の領域の方に方向づける適切な電界によって、入射初期イオンビームから離れる。セルの幅に沿って拡がる２，３ボルト／ｃｍの段階的抽出領域、又は交差したＥｘＢ領域の配置は、イオンの効率的な抽出を可能にする筈である。該イオンが抽出口２０４に到達すると、それらは加速され有向イオンビームに形成される。必要ならば、一連の等電位平面により、又は、抽出口２０４を通って浸透する加速領域の周囲から、セル２０２内に適切な電界を導入することが出来る。

もう一つの方法として、図１及び２の装置は中性ビームを作成するのに使用することが出来る。例えば、イオン化初期ビーム１０１がセル１０２に入り、該セル内に含まれるガス又は蒸気１０３を通過する。該ガス又は蒸気から電子が初期イオンビーム１０１に移され、それにより該イオン化ビームが中性ビームに変換される。得られた中性ビーム１０６は、次に抽出口１０８を通ってセル１０２から出る。具体的一態様においては、アニソールの目的分子と併せて硼素のイオン化ビームが使用される。

求められている抽出ビームが入射初期イオンビームの方向に沿って方向づけられている幾何学的配置の操作詳細を図解したものである。 抽出されたイオンの放出方向が入射初期イオンビームの方向に対して直角である抽出上の幾何学的配置の操作詳細を図解したものである。

Claims (31)

1. ２００マイクロアンペアを超える電流を有する荷電粒子ビーム範囲内の用途用の、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン又はキセノンの希ガス原子を含まないターゲット原子又は分子の集団内で求められている種のイオンを優先的に製造する方法であって、高速度の原子状又は分子状で正又は負のイオンを有する入射ビームを前記集団に移動させることから成り、前記集団内で製造が望まれている前記求められている種のイオンのイオン化電位又は電子親和力の内の約５００ｍｅＶ以内のイオン化電位又は電子親和力を前記入射イオンビームが有する、前記製造方法。
2. 求められている種のイオンが正又は負の極性を有することが出来る、請求項１記載の方法。
3. 前記集団の全体積にわたって電場を設けることを更に含んでなる、請求項１記載の方法。
4. 前記求められている種のＥｘＢドリフトを提供することを含んでなる、請求項１記載の方法。
5. 前記電場が前記の原子状又は分子状イオンの入射ビームの方向と実質的に平行に設けられている、請求項３記載の方法。
6. 前記電場が前記の原子状又は分子状イオンの入射ビームの方向と実質的に直角に設けられている、請求項３記載の方法。
7. イオン化すべき前記目的分子がデカボランを含み、前記のイオン化原子の入射ビームが単一荷電砒素原子を含む、請求項１記載の方法。
8. ５ミリアンペアを超える電流を有する荷電粒子ビーム範囲内の用途用に、ターゲット原子又は分子の集団内で求められている種のイオンを優先的に製造する方法であって、高速度の原子状又は分子状で正又は負のイオンを有する入射ビームを前記集団に移動させることから成り、前記集団内で製造が望まれている前記求められている種のイオンのイオン化電位の内の約５００ｍｅＶ以内のイオン化電位又は電子親和力を前記入射イオンビームが有する、前記製造方法。
9. 求められている種のイオンが正又は負の極性を有することが出来る、請求項８記載の方法。
10. 前記集団の全体積にわたって電場を設けることを更に含んでなる、請求項８記載の方法。
11. 前記求められている種のＥｘＢドリフトを提供することを含んでなる、請求項８記載の方法。
12. 前記電場が前記の原子状又は分子状イオンの入射ビームの方向と実質的に平行に設けられている、請求項１０記載の方法。
13. 前記電場が前記の原子状又は分子状イオンの入射ビームの方向と実質的に直角に設けられている、請求項１０記載の方法。
14. ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン又はキセノンの希ガス原子を除くターゲット原子又は分子の群から２００マイクロアンペアを超える電流を有するイオン化原子又は分子の有向ビームを製造するための装置であって、
    前記のターゲット原子又は分子の群を保持するのに適合したセル、
    イオン化原子又は分子の初期ビームを前記セルに通過させることにより前記セル内に位置する前記のターゲット原子又は分子から電子を除去することによって前記のターゲット原子又は分子をイオン化するための手段であって、前記の初期イオンビームが、前記セル内で製造が望まれているイオンのイオン化電位の内の、約５００ｍｅＶ以内のイオン化電位を有する手段、及び
    前記のターゲット原子又は分子のイオン化に続いて該イオン化原子又は分子を抽出し、該抽出されたイオン及び分子を前記イオンビームに変換するための手段
    を組み合わせて含む、前記装置。
15. 前記セル内に位置する前記目的分子がデカボランを含む、請求項１４記載の装置。
16. 前記の初期ビームが砒素イオンを含む、請求項１４記載の装置。
17. 前記初期ビームの前記原子又は分子が前記のターゲット原子又は分子と同じ種ではない、請求項１４の装置。
18. 前記セルが温度制御されている、請求項１４記載の装置。
19. 目的の原子又は分子の群から５ミリアンペアを超える電流を有するイオン化原子又は分子の有向ビームを製造するための装置であって、
    前記のターゲット原子又は分子の群を保持するのに適合したセル、
    イオン化原子又は分子の初期ビームを前記セルに通過させることにより前記セル内に位置する前記のターゲット原子又は分子から電子を除去することによって前記の目的原子又は分子をイオン化するための手段であって、前記の初期イオンビームが、前記セル内で製造が望まれているイオンのイオン化電位の内の、約５００ｍｅＶ以内のイオン化電位を有する手段、及び
    前記のターゲット原子又は分子のイオン化に続いて該イオン化原子又は分子を抽出し、該抽出されたイオン及び分子を前記イオンビームに変換するための手段
    を組み合わせて含む、前記装置。
20. 前記セル内に位置する前記のターゲット分子がヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンを含む群から選択される、請求項１９の装置。
21. 前記セル内に位置する前記ターゲット分子がデカボランを含む、請求項１９の装置。
22. 前記の初期ビームが砒素イオンを含む、請求項１９の装置。
23. 前記初期ビームの前記原子又は分子が前記のターゲット原子又は分子と同じ種ではない、請求項１９の装置。
24. 前記セルが温度制御されている、請求項１９の装置。
25. ターゲットの原子又は分子の群から２００マイクロアンペアを超える電流を有する負荷電原子又は分子の有向ビームを製造するための装置であって、
    前記のターゲット原子又は分子の群を保持するのに適合したセル、
    負荷電原子又は分子の初期ビームを前記セルに通過させることにより前記セル内に位置する前記のターゲット原子又は分子に電子を付加することによって前記のターゲット原子又は分子に電子を付加するための手段であって、前記の負荷電原子又は分子の初期ビームが、前記セル内で製造が望まれているイオンの電子親和力の内の、約５００ｍｅＶ以内の電子親和力を有する手段、及び
    前記のターゲット原子又は分子への電子付加に続いて該負の原子又は分子を抽出し、該抽出された負の原子又は分子を前記イオンビームに変換するための手段
    を組み合わせて含む、前記装置。
26. ２００マイクロアンペアを超える１価粒子等価電流を有する中性原子又は分子の有向ビームを製造するための装置であって、
    前記のターゲット原子又は分子の群を保持するのに適合したセル、
    イオン化原子又は分子の荷電粒子ビームを前記セルに通過させることにより前記セル内に位置する原子又は分子からの電子を付加することによって前記荷電粒子ビーム中の原子又は分子を中和して前記の中性原子又は分子のビームを作成するための手段であって、前記のイオン化原子又は分子のビームが、前記セル内の前記原子又は分子と同じ種の前記セル内の原子又は分子のイオン化電位の内の、約５００ｍｅＶ以内のイオン化電位を有する手段
    を組み合わせて含む、前記装置。
27. 前記荷電粒子ビームが硼素を含み、前記セル内に位置する分子がアニソールを含む、請求項２６の装置。
28. 前記荷電粒子ビームの前記原子又は分子が前記セル内に位置する前記原子又は分子と同じ種ではない、請求項２６の装置。
29. ターゲット原子又は分子の集団を利用して、２００マイクロアンペアを超える１価粒子等価電流を有する、求められている種の中性原子又は分子の有向ビームを優先的に製造する方法であって、前記求められている種の高速度原子状又は分子状イオンを有する入射ビームを前記集団に移動させることから成り、前記のターゲット原子又は分子のイオン化電位の内で約５００ミリ電子ボルト以内のイオン化電位又は電子親和力を前記入射イオンビームが有する、前記製造方法。
30. 前記荷電粒子ビームが硼素を含み、前記ターゲット分子がアニソールを含む、請求項２９の方法。
31. 前記荷電粒子ビームの前記原子又は分子が前記のターゲット原子又は分子と同じ種ではない、請求項２９の方法。

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