KR20080016524A - 강력한 원자 및 분자의 저-순도 이온 빔을 생성하기 위한공진 방법 - Google Patents

강력한 원자 및 분자의 저-순도 이온 빔을 생성하기 위한공진 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래에 유용한 강도로 생산하는 것이 종래에는 중요했던 매우 다양한 요구되는 양 및 음의 분자 및 원자 이온빔을 생성하기 위한 컴팩트(compact)하고 경제적인 장치를 포함한다. 또한, 본 발명은 요구되는 이온과 자주 동시에 방사되는 동반 배경 이온의 실질적인 배제를 제공한다. 본 발명에 내재하는 원칙은 공진 및 비공진 공정간의 에너지 차이가 특정 전하-교환 공정을 증가 또는 감소하는데 이용되는 공진 이온화-이송이다. 이러한 새로운 소스 기술은 가속기 질량 분석; 분자 이온 주입; 유도 중성 빔의 생성; 및 자기장 내에서 이온빔 중성화에 요구되는 전자의 생성 분야에 관련된다. 상업적인 중요성을 가지는 예는, 거의 완벽한 이온화 공진 매치가 데카보란 분자와 비소 원자간 발생하는, 데카보란 분자, B10H14의 이온화이다.

Description

강력한 원자 및 분자의 저-순도 이온 빔을 생성하기 위한 공진 방법{A RESONANCE METHOD FOR PRODUCTION OF INTENSE LOW-IMPURITY ION BEAMS OF ATOMS AND MOLECULES}
가속기 질량 분석(accelerator mass spectroscopy), 동위원소 연대측정(isotope dating), 고-에너지 반도체 주입(high-energy semiconductor implantation), 저-에너지 반도체 이온 주입, 분자빔 주입(molecular beam implantation), 클러스터빔 이온화(cluster beam ionization), 데카보란(decaborane) 이온화, 동중 입자 거부반응(isobaric particle rejection).
설명할 기술은 몇몇 분야의 과학적 조사 및 산업에서 중요한 어플리케이션을 가진다. 이들은 분자 이온 주입, 유도 중성빔의 생성, 자계 내에서 이온빔 중성화에 요구되는 저-에너지 전자의 생성, 가속기 질량 분석(AMS) 측정 동안의 불필요한 동중체(isobar)의 감쇠를 포함한다. 이러한 공정은 아래에서 간략하게 설명될 것이다.
반도체 산업에서의 분자 이온 주입
매우 얕은 접합부(ultra-shallow junctions)의 형성은 수백 전자볼트 내지 3keV 사이의 에너지를 가지는 이온빔(ion beam)을 요구한다. 상업적인 실현 가능성(commercial viability)을 위해 유용한 제품 처리율을 얻을 수 있는 큰 빔 전류가 요구되지만, 이러한 저-에너지 이온의 빔을 추출하고 전송하는 것은 상당히 어렵다. 근본적인 문제는 빔 '폭발(blow-up)'을 피하기 위해 이온빔 내에 적절한 수의 공간-전하 중성화 이온 또는 음이온을 유도하고 유지하는 것이다. 2차 세계대전과 맨허튼 계획(Manhattan Project) 이래로 잘 알려진, 전형적인 중성화 방법은, 잔여 기체 분자로 빔 입자를 충돌함으로써 이온빔의 공간-전하 웰(well) 내에서 분자의 이온화에 의해 생성되는 전자의 생성을 포함한다. 불행하게도, 이 공정은 느린 입자 속도에서는 유효하지 않게 되고 다른 기술이 사용되어야 한다.
이 문제를 피하기 위하여 1993년 야마다(Yamada) 등이 중요한 제안을 하였고, 핵 기구 및 방법( Nuclear Instrument and Methods ) 잡지의 79권, 223페이지에 기재되었다. 야마다의 제안은, 만약 요구되는 이온의 단독으로 대전된(singly-charged) 분자 클러스터가 원하는 원자 종류의 개별적인 원자를 대신한다면, 저-에너지 주입의 문제는 실질적으로 경감된다는 것이다. 제이콥슨(Jacobson) 등에 의해 IEEE 컨퍼런스 리포트 " IIT 2000"에 기술된 이러한 분자를 대체하는 것의 하나로, 적절한 이온 소스로부터 추출된 이온화된 분자 데카보란(B10H14 +)을 사용하였는데, 이는 개별적인 B+ 원자만으로 이루어진 이온빔을 주입했을 때의 운동 에너지보다 거의 11배의 운동 에너지로 가속하였다. 예로서, 500 eV의 붕소 원자를 주입할 때, 상위(parent) 데카보란 이온은 5.5 keV 에너지까지 가속화될 것이고, 이 에너지는 분자 이온이 현대적인 이온주입장치(implanter)를 통해 수송되도록 할 것이다. 명백하게, 전하 수집을 사용하여 측정된 주입양(implantation dose)은 종래의 붕소 주입을 사용한 것에 비해 10배로 확대되고, 이에 대응하여 공간-하전력이 줄어들도록 한다.
반도체 제조에서 이러한 공정의 유용성을 확인하기 위해, 몇몇 기술자들이 실제 디바이스 구조에 데카보란을 주입하는 것을 실제로 해 보았다. 에이. 페렐(A. Perel)이 IEEE 컨퍼런스 리포트 " IIT 2000"의 304 페이지에서 기록한 바에 의하면, 실리콘 내로의 클러스터 주입 후 붕소 원자의 깊이 분포(depth distribution)를 확인하기 위해 2차 이온 질량 분석(secondaty ion mass spectrometry)(SIMS) 측정을 하였다. 페렐의 데이터는 동일한 속도에서 종래의 주입된 붕소 원자와 분자 B10H14 + 주입 의 깊이 분포에 명백한 차이가 없음을 보여준다.
데카보란 분자 구조의 실질적인 분리 없이 데카보란을 이온화하기 위해 전자빔을 사용하는 방법 및 장치가 호스키(Horsky)에 의해 미국특허 제6,452,338호 및 6,686,595호에 기술되어 있다. 또한, 벨라(Vella)는 미국특허 제6,573,510 B1호에서 단독으로 대전된 데카보란 이온을 생성할 수 있는 더블-챔버 전하-교환(double-chamber charge-exchange) 방법 및 장치를 설명한다.
본 발명에서는 단독으로 대전된 분자 데카보란 이온의 생성을 위한 대체 고-효율 이온화 공정이 설명된다. 공정은 분자와 원자 이온 사이의 공진 전하 교환이라는 알려진 현상을 채용하여, 입력되는 초기 이온빔이 이온화되고 가속화될 클러스터 분자 또는 원자를 포함하는 지역으로 향하게 된다. 직접적인 어플리케이션은 단일 대전된 데카보란 이온의 고전류의 생성이지만, 다른 원자 및 분자를 포함하는 어플리케이션도 저-에너지 주입에 필요한 다른 빔에 대한 요구로서 중요하게 될 것으로 기대된다.
위에서 설명한 호스키 및 벨라에 의한 장치보다 이 절차를 더 매력적이게 하는 특징은, (1) 대전된 데카보란의 큰 전류는 공진 절차를 사용하여 이용가능해진다는 것과, (2) 상호작용이라는 선택적인 공진 성질에 의해 원치 않는 질량의 백그라운드가 적게 생성될 수 있다는 것이다.
가속기 질량 분석( AMS )
AMS는
Figure 112007057343766-PCT00001
,
Figure 112007057343766-PCT00002
,
Figure 112007057343766-PCT00003
,
Figure 112007057343766-PCT00004
및
Figure 112007057343766-PCT00005
와 같은 매우 안정적인 방사성 동위원소의 검출에 AMS 기술을 적용할 수 있는 방법을 소개한 다수의 저자들에 의해 상세하게 설명되었다. 이러한 설명은 미국특허 제4,037,100호를 포함하는데, 저널 핵 기구 및 방법의 162권, 637페이지(1979)에 퍼서 케이. 에이치.(Purser, K. H), 리더랜드 에이. 이.(Litherland, A. E.) 및 고브 에이치. 이.(Gove, H. E.)에 의한 "정전 가속기를 기초로 한 초감도 입자 확인 시스템(Ultra-sensitive particle identification system based upon electrostatic accelerators)"라는 제목의 기사에 나타나 있다. 이들 간행물은 AMS를 사용하면 기본적으로 안정적인 동위원소의 농도에 비해 많은 방사성 핵의 검출 한계의 비율이 10-14에서 10-16 사이에 있는 것은 일반적인 것이라고 지적한다. 이들 비율은 종래의 질량 분석을 사용했을 때 가능했던 것보다 6 차수(six order) 이상 더 큰 크기의 감도를 나타낸다.
이러한 저존재(low abundance)에서 방사성 원자를 검출하는데 중요한 문제는 상위 원소(parent element)의 큰 빔전류가 필수적이라는 것이다. 예를 들어, 방사성 원자의 단일 원자 검출에 대하여 (상위 원소의 다수의 원자와 비교할 때) 상위 원소의 10-16 밀리암페어 이하의 농도가 바람직하다. 또한, 이러한 빔은 분자 및 동중 오염물의 저 레벨로 가능한 한 순수(pure)해야 한다.
AMS 측정을 위해 본 발명은 특정한 원소 종류의 증가 또는 감쇠가 가능하게 하는 공진 및 비공진(non-resonant) 간의 차이를 이용할 수 있다. 예를 들어, 세슘(cesium) 원자를 포함하는 셀을 이리저리 움직이는 Cs- 이온의 빔은 전하를 다른 원자에게보다 효율적으로 Cs 원자에 전달할 수 있다. 따라서, 존재할 수 있는 다른 원자를 희생하여 셀 내에서 형성되는 정지한 음의 세슘 이온을 추출하는 것이 가능하다.
현재, 대부분의 AMS 기구는 음이온의 생성을 위해 스퍼터(sputter) 소스(source)를 이용하는데, 이러한 소스는 핵 기구 및 방법의 214권 214 페이지(1983)에 기록된 "음이온 세슘 스퍼터 이온 소스(A Negative Ion Cesium Sputter Ion Source)"에서 알. 미들튼(R. Middleton)에 의해 설명되었다. 일반적으로, 이들 소스로부터의 음이온의 산출은 음이온의 질량이 감소함에 따라 빠르게 감소하고, 또한 전자 친화력이 감소함에 따라 감소한다. 물리학 리뷰 비( Physical Review B)의 19권 5661 페이지(1979)의 "스퍼터링에서의 2차 이온 방출(Secondary Ion Emission in Sputtering)"에서 노스코브 제이. 케이.(Norskov J. K.)에 의해 소개된 결과에 따르면, 스퍼터된 중성 원자(neutral atoms)에 대한 생성된 음이온의 비율 ε은 다음과 같다.
Figure 112007057343766-PCT00006
여기서, β는 상기 노스코브와 룬트퀴스트(Lundquivst)의 상수와 관계되는 상수이고, φ는 스퍼터된 표면의 일함수이고, A는 스퍼터된 종류의 전자 친화력이고, M은 스퍼터된 종류의 질량이다.
수학식 1로부터 무거운 이온에 대하여 스퍼터 소스로부터 음이온의 산출은 큰 전자 친화력을 가지는 가벼운 원자인 탄소에 대한 산출보다 극적으로 낮아지는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 전자 친화력이 작은 종류에 대해서는 음이온이 꽤 부정적인 반면, 스퍼터 소스로부터의 이온 생성율이 매우 낮아서 빔이 여러 측정에 대하여 쓸모가 없어질 수 있다.
본 발명의 공진 근처에서의(near-resonant) 이동을 사용하면, 상기와 같은 스퍼터링 장애(impediment)는 약하게 결합된 음이온의 형성에 더 이상 제한이 아니다.또한, 두 파트너의 정확하게 동일한 전자 친화력이 효율적인 전하 수송에 요구되지 않으며, 이에 대해서는 후에 설명할 것이다.
중성빔 기술( Neutral Beam Technology )
중요하게 된 주입의 종류는 백만 전자 볼트에 가까운 에너지를 가지는 이온을 포함한다. 고에너지 주입의 이러한 성장에 대한 하나의 이유는 트랜지스터의 소형화이다. 시간이 흐르면서, 개별적인 트랜지스터는 더 작아지고 서로 더 가까워졌으며, 또한 매우 낮은 전압에서 동작한다. 이러한 변화는 회로의 불안정성(instabilities)을 야기할 수 있는 개별적인 회로 사이의 기생(parasitic) 전류 커플링을 발생하게 할 수도 있는 원소간의 전기적인 커패시턴스의 증가를 가져온다. 이러한 바람직하지 않은 효과를 피하기 위해 트랜지스터 회로를 다른 회로와 기생 전류가 흐를 수 있는 하부 기판으로부터 전기적으로 절연시키는 장벽(barrier)을 도입하는 것이 종종 유용하다. 이러한 기판 절연(isolation)은 활성 회로(active circuit) 아래에 저-저항(low-resistivity)의 층을 주입함으로써 생성할 수 있다. 일반적으로, 이러한 공정에 요구되는 에너지는 0.8에서 3.0 MeV 범위에 있고, 종래의 복잡한 무선-주파수(radio frequency) 무선 주파수 가속기의 주입 또는 설치(installation) 동안에 채용되는 에너지와 비교하면 높은 가속 전압의 사용을 요구한다.
상업적인 고-에너지 이온주입기의 한 종류는 백만 전자볼트 범위의 에너지를 가지는 이온을 생산하기 위하여 직류(d.c.) 전압과 탠덤 가속 원리(tandem acceleration principle)를 사용한다. 이 공정 동안에, 음이온은 그라운드(ground)에서 양극 단말(positive polarity terminal)로 가속화되는데, 이 양극 단말에서, 유입되는 음으로 대전된 이온의 전하는 음이온으로부터 전자를 제거함으로써 양극성으로 전환된다. 가속의 다음 단계에서 이들 양이온이 그라운드 전위로 돌아간다.
불행하게도, 음이온의 생성에 요구되는 단면적(cross section)은 작은 경향이 있고, 빔-전휴 강도를 종종 제한하는 것은 이러한 탠덤 타입의 가속 시스템의 이러한 한계이다. 이러한 문제를 피하는 하나의 방법은 백만볼트의 직류 탠덤 구성의 제1단계를 통해 가속 없이 표류하는 요구되는 이온의 중성빔을 채택하는 것이다. 중성빔은 고전류 단말(terminal)로 중성 입자를 전달하는데, 여기서 이온이 적절한 기체 셀(gas cell)이나 호일(foil)을 통과할 때 하나 이상의 전자를 제거함으로써 양극성으로 전환된 전하이다. 효과적으로, 이러한 공정은 양극 단말 내에 양이온을 생성하는데, 이 양극 단말로부터 그라운드 전위로 다시 가속화되며, 도중에 에너지를 모으게 된다. 이러한 체계의 중요성은 ~MeV의 에너지를 가지는 이온의 빔 강도가 종종 크기의 차수(order)만큼 크게 실질적으로 증가될 수 있다는 것이다.
이러한 중성 빔의 생성을 위한
Figure 112007057343766-PCT00007
빔의 중성화에 대하여 아이. 톰스키(I. Tomski)가 연구를 해 왔고 토론토 대학에 1997년에 제출한 MSc 논문에 발표되었다. 이 연구의 특징은 유도된 붕소 이온의 빠른 빔의 중성화를 위해 분자가 사용된다는 것이다. 이들 이온은 유기 분자 아니솔(anisole)(C7H8O)의 저압 증기로 가득찬 셀을 통과한다. 아니솔의 유용성은 붕소에 대한 이온화 전위가 8.29 eV이고 아니솔이 거의 완벽한 붕소에 대한 공진-이온화 매치를 제공한다는 것이다. 세 가지 물질, 물(이온화 전위 12.612 eV), 메토날(methonal)(10.85 eV) 및 아니솔(8.21 eV)에 대한 단면적에 측정되었다. 10 keV에서 10-15 cm2 단위로 측정된 B0로의 B+에 대한 단면적은 물--2.1+/-0.2; 메토날--.2.7+/-0.2; 아니솔--.5.9+/-0.6이었고 이는 공진에 유 사한 효과를 나타낸다.
공명 상호작용에 내재하는 배경( Background underlying Resonant Interactions )
범위의
Figure 112007057343766-PCT00008
제한이 의도되지는 않지만, 양성 원자 또는 양성 분자와 중성 원자 또는 중성 분자간의 전하-이동 반응은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112007057343766-PCT00009
이러한 반응 동안 처음에는 중성 타겟 원자, Y0의 일부였던 전자는 움직이는 대전 투사물(the moving charged projectile), X+로 이동되어서 원래 대전된 X+가 전기적으로 중성으로 되도록 하고, 원래 정지한(stationary) 원자, Y0가 양으로 대전된 Y+가 되도록 한다. 여기서, X와 Y 입자는 원자 또는 분자일 수 있다. 사용된 규칙은 X+ 는 반응을 시작하는 유입 투사물 원자 또는 분자를 일컫고, Y0는 타겟 원자 또는 분자이다. 그러나, 빠른 중성빔의 생성 동안 유입되는 양이온, X+는 중성전하로 변환되어, 전에 집중적으로 유도된 빠른 이온이 유도 중성-입자 빔으로 변환될 수 있도록 한다. 또한, 동일한 타입의 공진 상호반응도 음이온과 중성 입자 간의 공진 전하 교환을 생성하는데 사용될 수 있다.
이러한 상호작용을 위한 단면적을 측정하기 위한 주요 제어 파라미터는 중성 타겟 원자 Y0의 이온화 전위 또는 전자 친화력과, 대전되지 않은 투사물 원자 X0의 이온화 전위 또는 전자 친화력 간의 에너지 차이, ΔE이다. ΔE가 작으면, 수학식 1에 의해 설명된 반응에 대한 단면적은 매우 커서 높은 확률의 공명 전하 이동을 이끌어낼 수 있다.
이러한 효과에 대한 물리적인 근거는 원자 또는 분자가 서로 통과할 때 두 입자의 파동함수(wave function)는 결합되어(coupled) 입자 간의 전자 진동을 유도한다. 이러한 공정의 단면적은 두 입자간의 전자 결합 에너지의 차이가 작고 상대적인 속도가 낮을 때 커진다. 이들은 공진 또는 유사-공진(near-resonant) 전자 이동을 위한 필요조건(prerequisite)이다. 반대로, 두 입자의 각각에 대한 전자 결합 에너지가 실질적으로 뚜렷한 경우에 대해서, 공진 조건은 더 이상 우세하지(dominant) 않고 전자 이송 단면적은 더 작아진다.
당업자들은 상기의 두-원자(two-atom) 시스템이 동일한 주파수로 동조된(tuned) 한쌍의 약하게 결합된(weakly coupled) 오실레이터의 원자 동종(analog)이라는 것을 알 것이다. 두개의 약하게 결합된 동일한 진자(pendulum)의 경우에, 진동 움직임이 제1진자에서 제2진자로 이동한다는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 방식으로 두 구성요소 간에 앞뒤로 에너지가 무한히 이동한다. 원자 시스템에 있어서 ΔE가 작으면, 전자 이동이 커지는 '플리핑(flipping)' 주파수에서 전자는 두개의 원자 또는 분자, X와 Y 사이를 왕복한다. 이 쌍이 최종적으로 분리될 때, 전자는 하나 또는 다른 구성요소에 포획되어, 다른 파트너로 이송되는 유입 전하-입자 강도의 약 50%의 수율을 이끌어낸다. 이러한 효과를 이용하도록 고안된 이온 소스는 양 및 음이온빔의 상생을 위한 새로운 영역이 가능하게 한다.
이러한 공진 전하 이송 공정을 설명하기 위한 상세한 이론이 에이치.에스.더블유. 매시(H.S.W. Massey)와 에이치.비. 길바디(H.B. Gilbody)가 저술한 옥스포드 대학 출판의 "전자 및 이온 충돌 현상(Electronic and Ionic Impact Phenomena)"의 제4권, 2579 페이지(1974)와; 사카베, 에스.(Sakabe, S.)와 야즈카즈, 아이.(Yacukazu, I.)가 저술한 원자 및 핵 데이터 테이블( Atomic and Nuclear Data Table)의 "원자와 그들의 양이온 간의 공진 이송을 위한 단면적(Cross Sections for Resonant Transfer between Atoms and their Positive Ions)"의 제49권, 257-314 페이지(1991)에 소개되어 있다. 기저 원자(base atom)가 동일하거나, 또는 입자가 동일하지 않고 원자 결합 에너지가 실질적으로 동일한 경우에는, 공진 전하 이송의 확률은 상당해지고, 충격 파라미터의 값만큼 커진다. 유사-공진 전자 이송을 위한 단면적의 변화의 유용하고 수정된 평가(estimate)는, 리더랜드(Litherland) 등에 의해 '가속 질량 분석기에서 동중체 분리를 위한 이온 반응'이라는 제목의 논문에 게재되었고, 핵 기구 및 방법 B 저널의 204권, 323-327 페이지(2003)에 게재되었다.
또한, 상기 리더랜드 참조문헌으로부터, 두 파트너의 정확하게 동일한 이온화 전위는 효과적인 전하 이송을 위해 필수적이지 않다는 것을 알 수 있다. ΔE×Δt가 h/2π의 계수(order)인 경우에 단면적이 높을 것이라는 것을 보여주는 불확 실성 원칙(Uncertainty Principle)로부터 공진 이온화의 단면적의 크기를 대략적으로 예측할 수 있다. 여기서, Δt는 D/v의 계수이고, 이때 v는 빠른 이온의 속도이고, D는 분자의 "크기(size)"이다. 예를 들어, 입력되는 As+ 이온의 D가 1 나노미터이고, 이행(translation) 에너지, E가 10keV이면, ΔE는 107 meV 크기일 것이다. 그러나, 당업자들은 D가 잘 정의되지 않고, 공진 단면적은 갑자기 변화하지 않고 차등(differential) 이온화 에너지가 증가함에 따라 부드럽게 감소할 것이라는 것을 알 것이다. 유용한 공진 이온화는 ΔE가 상기 추정 크기보다 몇 배일 것이라고 예상된다.
형성 메커니즘이 최근까지 명백하지는 않지만, 동일하지 않은(non-identical) 음의 원자 이온 간에 위와 같은 전하 이송을 나타내는 핵 연구에 사용되는 음의 중이온(heavy ion) 생성에 대한 지식에 잘 알려진 예가 있다. He- 이온이 생성된 Ca- 이온이 독립적인 이온빔으로서 추출되도록 하는 칼슘 원자의 증기를 구조적으로 통과할 때 이 측정이 이루어지고, Ca- 빔의 특정된 강도(~1 마이크로암페어)는 놀랄만큼 크다. 최종적으로, 결과는 호기심으로 간주된다. 상세한 사항은 케이. 샤프맨(K. Chapman)에 의해 편집되고 플로리다 주립 대학에 의해 발행된, 플로리다 탤러해시의 SNEAP 컨퍼런스 절차( the Proceedings of the SNEAP Conference , Tallahassee Florida) 내에서의 케이.에이치. 퍼서의 "로체스터 탠덤 연구실에서의 발견(Develpments made at Rochester Tandem Laboratory)"이라는 제목의 기사에 발 표되어 있다. 이 실험의 목적은 핵물리 측정을 위한 고에너지 Ca- 이온의 생성이었고 1 마이크로암페어의 이온 전류는 충분하기 때문에, 이러한 값 이상의 출력 전류를 증가시키는데 노력이 필요하지는 않다. 그러나, 최근, 높은 생산률을 위한 이유는, He-의 전자 친화력이 ~0.078 eV이고 Ca의 전자 친화력이 ~0.022 eV라고 이제 알려졌을 때 명백해졌다. 진공에서 1차(primary) He- 이온과 중성 Ca 원자 사이의 공진 전하 교환은 Ca- 생산을 위한 단면적을 증가시킨다.
범위에 대한 제한을 의도하지는 않지만, 이러한 공진 공정의 유용함을 보여주는 중요한 예는 비소 원자의 늦은 빔에 의한 데카보란의 이온화이다. 위에서 설명한 바와 같이 효율적인 이송의 키는 데카보란의 이온화 전위는 여기 빔(exciting beam)의 그것과 유사해야 한다는 것이다. 실험적으로, B10H14의 이온화 전위는 9.88 +/- 0.03 eV로 정확하게 측정되었다. 이러한 이온화 전위에 맞는(match) 가장 가까운 원자 입자는 비소 As이며, 이는 거의 동일한 이온화 전위-9.815 eV를 가진다. 또한, As의 제1여기단계(excited state)는 131.9 meV(밀리 전자볼트)에서이고, 30 meV만 벗어나도 데카보란 분자의 측정 이온화 전위에서의 공진이 사라진다. 두 기저상태(ground state) 사이의 이온화 전위의 차, ΔE는 ~80 meV이고, 따라서 가장 적은 에너지에서 강한 공진이 기대된다. 10 keV를 가지는 유입되는 As+ 이온에 대해, 데카보란과의 상호작용을 위한 계산된 단면적은 2.77×10-15 cm2이고, 1 keV 에 너지를 가지는 As+ 이온에 대해서, 계산된 교환 단면적이 3.94×10-15 cm2-원자 스케일에서는 충분한 면적임-인 것으로, 공진 효과는 좀더 명백해진다.
이러한 공진 이온화 공정의 중요한 특징은, 자연적인 양자(natural quantum)의 역학적 주파수가 잘 정의되고(well-fined) 좁아서, 이러한 반응은 선택적이고, 다른 데카보란 구성으로부터 분리 배경 생성물은 거의 없을 것으로 기대되고, 붕괴 입자의 대부분은 수소일 것으로 기대된다. 그럼에도 불구하고, 당업자들은 활동적인 유입 비소 이온은 때때로 데카보란 분자와 정면충돌을 해서, 분쇄되어, 저-레졸루션(low-resolution)의 자기 편향 또는 교차 필드 속도 필터링을 사용하는 하전된 데카보란 빔으로부터 제거되어야 하는 입자의 배경을 생성한다.
단일 대전된 데카보란을 생성하기 위한 위와 같은 공정이 매력적인 실제적인 면은: 첫째, As와 데카보란 사이에 유사한 이온화-에너지 매치가 있다는 것이고; 둘째, As+의 20-30 mA의 전류가 잘 형성된 이온빔에서 생성될 수 있다는 것이다. 데카보란 소스 챔버를 요구되는 최종 주입 에너지보다 ~11배 높은 전위까지 올리는 것에 의해 주입에 요구되는 만큼의 에너지로 데카보란 이온을 가속화하는 것을 조정함으로써, 붕소 주입을 위해 요구되는 에너지를 조절할 수 있다. 예로써, 3keV의 주입 에너지를 가지는 원자를 사용하는 붕소 주입의 생성을 위하여, 데카보란 소스는 ~33 keV의 전위로 올려질 것이다. 실제로, 유입되는 As+ 이온은 1 keV에 가까운 에너지를 가지고 데카보란 셀로 들어갈 것이고, 또는 전하-교환 공진을 최대화하는데 가장 적합한 만큼의 에너지가 결정된다. 그러나, 이 에너지가 결정적 인(critical) 파라미터일 것이라고는 기대되지 않는다.
명백하게, 공진 효과를 이용하여 고강도에서 모든 이온을 생성하기 위해, 일정 범위의 전자 친화력을 가지는 다양한 1차 빔이 필요하다. 당업자들은, 저강도 빔을 생성하기 위해 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 제논과 같은 비활성 기체 원자를 사용하여 많은 실험이 행해졌고, 이온 진공 이송의 공정이 이들 원자 기체와 이들과 관련된 이온 빔을 사용하여 잘 수행되었다는 것을 알 것이다. 그러나, (1 밀리 암페어보다 큰) 고강도의 빔은 정확하게 생성되지 않는다. 명백히, 다른 대부분의 원자에 대하여, 더 많은 연구가 요구된다. 원자와 분자에 대한 이온화 전위를 결정하는 더 많은 연구가 요구되는 반면, 신뢰성 있고 '1차빔'으로서 유용하게 여겨질 수 있는 강도로 생성될 수 있는 많은 수의 분자 및 원자 이온 종류가 이미 존재한다는 것은 당업자에게는 자명하다.
도 1은 요구되는 추출빔이 입사 1차 이온빔의 방향을 따라 향하게 되는 구조의 동작 상세(operational details)를 나타낸다.
도 2는 추출된 이온의 방출 방향이 입사되는 1차 이온빔의 방향으로 직각인 추출 구조의 동작 상세를 나타낸다.
도면의 도 1을 먼저 참조로 하면, 셀(102)에 들어와서 셀 내에 담겨진 기체 또는 증기(103)를 통과하는 1차 이온빔(101)이 나타난다. 1차 이온빔(101)으로서 음 또는 양이온이 사용될 수 있으며, 원자 또는 분자일 수도 있다. 셀(102) 내에 서, 샘플(103)은 적절한 증기 압력에서 기체 또는 증기 형태로 유지된다. 필요하다면, 적절한 히터 또는 냉장기를 사용하는 온도 제어를 요구할 수 있다. 1차 이온빔 종류(101)는 이온 종류(101)의 전자 친화력 또는 이온화 전위가 음 또는 양이온으로 전환될 기체 또는 증기(103)를 포함하여 구성되는 원자 또는 분자의 전자 친화력 또는 이온화 전위와 대략 동일하도록 선택된다. 결과 이온(resulting ion)(106)은 셀의 1차 이온빔이 들어오는 반대측으로부터 길이방향으로(longitudinally) 추출되고, 당업자에게 잘 알려진 디자인과 동작의 추출 광학(extraction optics)을 사용하여 적절한 이온빔(107)으로 형성된다.
1차 빔으로서 As+를 사용하는 데카보란 이온화의 경우에, 단면적은 3.5×10-15 cm2 일 것으로 예상된다. 만약 데카보란의 전체 두께가 ~1015/cm2 으로 조정된다면, 비소 이온이 셀을 통과할 때 데카보란 분자와 함께 약 3개의 As+ 이온의 공진 전하 교환이 있을 것이다. 소스 박스 내에 형성된 데카보란 이온의 추출은 추출 슬롯(108)을 통해 소스 박스로 침투하는 전기장에 의해 수행된다. 당업자들에게 잘 알려진, 소스 박스 내에 작은 전기장을 도입하거나 또는 E×B 드리프트를 생성하는 교차된 전기 및 자기장에 의해 유도된 이온 동작을 사용함으로써, 추출을 증가시킬 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 어떤 경우에는, 1차 이온빔(201)이 입사하는 방향에 대하여 직각에서 요구되는 이온을 추출하는 것에 더 편리할 것이다. 양의 전위로 끌어올려진, 셀(202)의 중심에서의 증기 또는 기체 샘플은 유입되는 1차 입사빔 에 의해 충격이 가해진다(bombarded). 기체 내에서 생성된 이온은 추출 광학의 영역으로 요구되는 하전된 이온을 향하게 하는 적절한 전기장에 의해 유입하는 1차 이온빔으로부터 멀어진다. 셀의 너비(width) 또는 교차된 E×B 필드 배열을 따라 확장하는 몇 볼트/cm의 선별된(graded) 추출 필드는 이온의 효율적인 추출을 허용할 것이다. 이온이 추출 개구부(aperture)(204)에 도달하면, 이들은 가속화되어 유도된 이온빔으로 형성된다. 필요하다면, 일련의 등전위 평면 또는 개구부(204)를 통해 여과되는(percolate) 가속 필드의 프린지(fringe)에 의해, 셀(202) 내에 적절한 전기장을 도입할 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2의 장치는, 중성빔을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이온화된 1차빔(101)이 셀(102)로 들어가고 셀 내에 담겨진 기체 또는 증기(103)를 통과한다. 기체 또는 증기로부터의 전자는 1차 이온빔(101)으로 이동되고, 따라서 이온화된 짐이 중성빔으로 변환된다. 셀(102)에 존재하는 결과 중성빔(106)이 추출 슬롯(108)을 통해 추출된다. 하나의 특정 실시예에서, 아니솔 타겟 분자와 관련하여, 붕소의 이온화된 빔이 사용된다.

Claims (31)

  1. 200 마이크로암페어를 초과하는 전류를 가지는 하전된(charged) 입자 빔 내에서의 사용을 위하여 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 제논과 같은 비활성 기체(rare gas) 원자를 포함하지 않는 타겟 원자 또는 분자의 앙상블(ensemble) 내에서 요구되는 종류의 이온을 우선적으로(preferentially) 생성하는 방법으로서, 고속의 원자 또는 분자의 양 또는 음이온을 가지는 입사빔으로 상기 앙상블을 관통하는(traversing)을 것을 포함하고, 이온 입사빔은 상기 앙상블 내에서 생성될 것으로 기대되는 상기 요구되는 종류의 이온의 이온화 전위 또는 전자 친화력의 약 500 meV 내에서 이온화 전위 또는 전자 친화력을 가지는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 요구되는 종류의 이온은 양극 또는 음극 중 하나를 가질 수 있는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 앙상블의 부피 전체에 전기장을 제공하는 것을 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 요구되는 종류의 E×B 드리프트를 제공하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전기장은 실질적으로 상기 원자 또는 분자 이온 입사빔의 방향을 따라 제공되는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전기장은 실질적으로 상기 원자 또는 분자 이온 입사빔의 방향에 직각으로 제공되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 이온화될 상기 타겟 분자는 데카보란을 포함하고 상기 이온화된 원자의 입사빔은 단일-대전된 비소 원자를 포함하는 방법.
  8. 5 밀리암페어를 초과하는 전류를 가지는 하전된 입자 빔 내에서의 사용을 위하여 타겟 원자 또는 분자의 앙상블 내에서 요구되는 종류의 이온을 우선적으로 생성하는 방법으로서, 고속의 원자 또는 분자로 된 양 또는 음이온을 가지는 입사빔으로 상기 앙상블을 관통하는(traversing)을 것을 포함하고, 상기 이온 입사빔은 상기 앙상블 내에서 생성될 것으로 기대되는 상기 요구되는 종류의 이온의 이온화 전위의 약 500 meV 내에서 이온화 전위 또는 전자 친화력을 가지는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 요구되는 종류의 이온은 양극 또는 음극 중 하나를 가질 수 있는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 앙상블의 부피 전체에 전기장을 제공하는 것을 더 포 함하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 요구되는 종류의 E×B 드리프트를 제공하는 것을 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전기장은 실질적으로 상기 원자 또는 분자 이온 입사빔의 방향을 따라 제공되는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 전기장은 실질적으로 상기 원자 또는 분자 이온 입사빔의 방향에 직각으로 제공되는 방법.
  14. 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 또는 제논과 같은 비활성 기체 원자를 제외한 타겟 원자 또는 분자의 그룹으로부터 200 마이크로암페어를 초과하는 전류를 가지는 이온화된 원자 또는 분자의 유도빔을 생성하는 장치로서,
    상기 타겟 원자 또는 분자의 그룹을 수용하기(hold) 위한 셀;
    이온화된 원자 또는 분자의 1차 빔을 상기 셀로 유도하여 상기 셀 내에 위치된 상기 타겟 원자 또는 분자로부터 전자를 제거함으로써 상기 타겟 원자 또는 분자를 이온화하기 위한 수단으로, 이온의 상기 1차 빔은 상기 셀 내에서 생성될 것으로 기대되는 이온의 이온화 전위의 약 500 meV 내에서 이온화 전위를 가지는, 수단; 및
    상기 타겟 원자 또는 분자의 상기 이온화에 뒤따르는 상기 이온화된 원자 또는 분자를 추출하여, 상기 추출한 이온 및 분자를 상기 이온 빔으로 변환하기 위한 수단을 결합하여 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 셀 내에 위치하는 상기 타겟 분자는 데카보란을 포함
    하는 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 1차 빔은 비소 이온을 포함하는 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 1차 빔의 상기 원자 또는 분자는 상기 타겟 원자 또는 분자와 동일한 종류가 아닌 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 셀은 온도가 제어되는 장치.
  19. 타겟 원자 또는 분자의 그룹으로부터 5 밀리암페어를 초과하는 전류를 가지는 이온화된 원자 또는 분자의 유도빔을 생성하는 장치로서,
    상기 타겟 원자 또는 분자의 그룹을 수용하기 위한 셀;
    이온화된 원자 또는 분자의 1차 빔을 상기 셀로 유도하여 상기 셀 내에 위치된 상기 타겟 원자 또는 분자로부터 전자를 제거함으로써 상기 타겟 원자 또는 분자를 이온화하기 위한 수단으로, 이온의 상기 1차 빔은 상기 셀 내에서 생성될 것 으로 기대되는 이온의 이온화 전위의 약 500 meV 내에서 이온화 전위를 가지는, 수단; 및
    상기 타겟 원자 또는 분자의 상기 이온화에 뒤따르는 상기 이온화된 원자 또는 분자를 추출하여, 상기 추출한 이온 및 분자를 상기 이온 빔으로 변환하기 위한 수단을 결합하여 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 셀 내에 위치하는 상기 타겟 분자는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및 제논을 포함하는 그룹에서 선택되는 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 셀 내에 위치하는 상기 타겟 분자는 데카보란을 포함하는 장치.
  22. 제19항에 있어서, 상기 1차 빔은 비소 이온을 포함하는 장치.
  23. 제19항에 있어서, 상기 1차 빔의 상기 원자 또는 분자는 상기 타겟 원자 또는 분자와 동일한 종류가 아닌 장치.
  24. 제19항에 있어서, 상기 셀은 온도가 제어되는 장치.
  25. 타겟 원자 또는 분자로부터, 200 마이크로암페어를 초과하는 전류를 가지는 음으로 하전된 원자 또는 전자의 유도빔을 생성하는 장치로서,
    상기 타겟 원자 또는 분자의 그룹을 수용하기 위한 셀;
    음으로 대전된 원자 또는 분자의 1차 빔을 상기 셀로 유도하여 상기 셀 내에 위치된 상기 타겟 원자 또는 분자에 전자를 부가함으로써 상기 타겟 원자 또는 분자에 전자를 부가하기 위한 수단으로, 상기 음으로 대전된 상기 1차 빔은 상기 셀 내에서 생성될 것으로 기대되는 이온의 전자 친화력의 약 500 meV 내에서 전자 친화력을 가지는, 수단; 및
    상기 타겟 원자 또는 분자로의 상기 전자의 부가에 뒤따르는 상기 음의 원자 또는 분자를 추출하여, 상기 추출한 음의 원자 및 분자를 상기 이온 빔으로 변환하기 위한 수단을 결합하여 포함하는 장치.
  26. 200 마이크로암페어를 초과하는 단일 대전된 입자-상당(equivalent) 전류를 가지는 중성(neutral) 원자 또는 전자의 유도빔을 생성하는 장치로서,
    상기 타겟 원자 또는 분자의 그룹을 수용하기 위한 셀;
    상기 셀 내에 위치하는 원자 또는 분자로부터 전자를 부가함으로써 하전된 입자 빔에서 원자 또는 분자를 중성화하고, 이온화된 원자 또는 분자의 상기 하전된 입자 빔을 상기 셀로 유도함으로써 중성 원자 또는 분자의 상기 빔을 생성하는 수단으로서, 이온화된 원자 또는 분자의 상기 빔은 상기 셀 내에서 상기 원자 또는 분자와 동일한 종류의 원자 또는 분자의 이온화 전위의 약 500 meV 내에서 이온화 전위를 가지는 수단을 결합하여 포함하는 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 하전된 입자 빔은 붕소(boron)를 포함하고 상기 셀 내에 위치한 분자는 아니솔(anisol)을 포함하는 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 하전된 입자 빔의 상기 원자 또는 분자는 상기 셀 내에 위치한 상기 원자 또는 분자와 동일한 종류가 아닌 장치.
  29. 타겟 원자 또는 분자의 앙상블을 사용하여 200 마이크로암페어를 초과하는 단일 하전된 입자-상당 전류를 가지는 요구되는 종류의 중성 원자 또는 분자의 유도 빔을 우선적으로 생성하는 방법으로서, 고속의 상기 요구되는 종류의 원자 또는 분자를 가지는 입사빔으로 상기 앙상블을 관통하는 것을 포함하고, 이온의 상기 입사빔은 상기 타겟 원자 또는 분자의 이온화 전위의 약 500 밀리-전자 볼트 내에서 이온화 전위 또는 전자 친화력을 가지는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 하전된 입자 빔은 붕소를 포함하고 상기 타겟 분자는 아니솔을 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 하전된 입자 빔의 상기 원자 또는 분자는 상기 타겟 원자 또는 분자와 동일한 종류가 아닌 방법.
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