專利名稱：在低能模式中操作高能加速器的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶電粒子加速器，更具體地說(shuō)涉及用來(lái)在低能模式中操作高能加速器的方法和裝置。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)離子注入是商業(yè)上接受的用來(lái)把改變電導(dǎo)率的雜質(zhì)引入半導(dǎo)體晶片的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在傳統(tǒng)的離子注入系統(tǒng)中，所需要的雜質(zhì)材料在離子源中離子化，離子被加速成規(guī)定能量的離子束，然后使離子束對(duì)準(zhǔn)晶片表面。離子束中的高能離子刺入大多數(shù)半導(dǎo)體材料并且嵌進(jìn)半導(dǎo)體材料的晶格，從而形成電導(dǎo)率符合需要的區(qū)域。
與注入晶片的累積離子劑量、注入深度、橫跨晶片表面的劑量均勻性、表面的損害和不受歡迎的污染有關(guān)的苛刻要求都被放到包括離子注入的半導(dǎo)體制造工藝上。注入劑量和深度決定注入?yún)^(qū)域的電活性，而劑量均勻性是保證半導(dǎo)體晶片上所有的器件都具有在規(guī)定的限度范圍內(nèi)的操作特性必不可少的。
為了在半導(dǎo)體晶片上形成器件，在不同的深度注入雜質(zhì)通常是必需的。束中粒子的能量對(duì)于粒子刺入半導(dǎo)體晶片的深度是決定性的。當(dāng)器件在尺寸方面被減小、在速度方面被增加時(shí)，使用非常低的能束在半導(dǎo)體晶片上形成諸如淺晶體管結(jié)之類的東西已經(jīng)變得令人向往的。
然而，采用低能離子束的離子注入不是一件瑣細(xì)的工作。在離子束之內(nèi)的離子通常是帶正電的粒子。帶電粒子的靜電斥力引起離子束發(fā)散，尤其是在低能的情況下，在這種場(chǎng)合個(gè)別粒子的低速度規(guī)定粒子在到達(dá)目標(biāo)晶片之前在粒子束范圍內(nèi)保持比較長(zhǎng)的時(shí)間周期。
由于給定的在半導(dǎo)體晶片上制造電子器件的“處方”可以要求在高和低兩種能量下的注入步驟，控制離子注入設(shè)備在寬廣的注入能量范圍上注入離子可以是令人向往的。這避免了在適合不同能量范圍的不同的離子注入設(shè)備中與離子注入相關(guān)聯(lián)的時(shí)間、附加費(fèi)用和潛在的晶片污染。
高能離子注入設(shè)備可以使用所謂的串列式加速器，它接受能量在幾萬(wàn)電子伏特特?cái)?shù)量級(jí)上的低能離子束并且進(jìn)一步把離子束加速到幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)電子伏特特的能量范圍。串列式加速器通常包括被裝配成稱為加速器柱狀物的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的低能加速器管、端子和高能加速器管。加速器管包含許多被絕緣環(huán)分開的加速器電極。正高壓被高壓電源加到端子上，并借此加到低能加速器管和高能加速器管兩者的最高電壓極上。毗鄰的加速器電極通過(guò)在各個(gè)加速器電極之中分配外加電壓的高阻值電阻器互相連接起來(lái)。在第一和第二加速器管之間的端子包含用來(lái)使離子束中的離子從負(fù)電荷轉(zhuǎn)變成正電荷的充氣的變高壓電極管。在正常的高能模式中，陰離子束射入串列式加速器，經(jīng)低能加速器管加速后到達(dá)端子，然后被轉(zhuǎn)變成陽(yáng)離子束，再在高能加速器管中被進(jìn)一步加速。
為了產(chǎn)生低能的離子束，把陽(yáng)離子束注射到串列式加速器之內(nèi)并且把高電壓電源關(guān)掉是符合要求的。然而，高能加速器不起作用之后寄生電位可以保留在加速器電極上。此外，低能離子束的邊緣可以撞擊加速器電極并引起這些電極產(chǎn)生正電壓。接在加速器電極之間通常大約為100兆歐的電阻器不足以使電極在低能操作期間放電。加速器電極位于用SF6氣體增壓并且在操作期間不可接近的高壓箱中。結(jié)果是在加速器電極上的正電壓可以在低能操作期間移動(dòng)來(lái)自離子束的自由電子。與離子束中的陽(yáng)離子一起旅行的電子具有減少離子束的空間電荷的擴(kuò)充趨勢(shì)的有益效果。因此，加速器電極上的正電壓在低能操作期間將惡化離子束的空間電荷擴(kuò)充和減少通過(guò)加速器輸送的射束電流。
因此，需要在低能模式中操作高能加速器的方法和裝置。
依照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種能在高能模式中和低能模式中操作的帶電粒子加速器。帶電粒子加速器包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源、與高壓電源耦合的加速器柱狀物和開關(guān)組件。加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電粒子束的孔的加速器電極和接在加速器電極的毗鄰電極之間用來(lái)在諸加速器電極之中分配高電壓的電阻器。高壓電源在低能模式中被禁止激勵(lì)加速器柱狀物。開關(guān)組件包括一個(gè)或多個(gè)用來(lái)在低能模式中把加速器電極電連接到參考電位上并且在高能模式中把加速器電極與參考電位電隔離的開關(guān)元件。
在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)開關(guān)元件都包括第一部分被固定到加速器電極之一上而第二部分能在與同一加速器電極電接觸的高能位置和與毗鄰的加速器電極電接觸的低能位置之間移動(dòng)的柔性導(dǎo)體。柔性的導(dǎo)體可以包括導(dǎo)電帶。在另一個(gè)實(shí)施方案中，柔性導(dǎo)體包括繞成長(zhǎng)線圈的電線。開關(guān)組件可以進(jìn)一步包括用來(lái)在高能位置和低能位置之間移動(dòng)柔性導(dǎo)體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和每個(gè)柔性導(dǎo)體之間的傳動(dòng)桿。
在一個(gè)實(shí)施方案中，開關(guān)組件包括被分別直接接到加速器電極上的開關(guān)元件。在另一個(gè)實(shí)施方案中，開關(guān)組件包括一摞被分別接到加速器電極上彼此電隔離的導(dǎo)電板，而且每個(gè)開關(guān)元件都包括被固定在某塊導(dǎo)電板上的第一部分和在電接觸同一塊導(dǎo)電板的高能位置和電接觸毗鄰導(dǎo)電板的低能位置之間移動(dòng)動(dòng)的第二部分。
在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，開關(guān)元件包括分別與加速器電極耦合的二極管。二極管在高能模式中是反向偏置的、在低能模式中是正向偏置的，以便提供一條連接參考電位傳導(dǎo)路徑。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件包括能在與加速器電極電接觸的低能位置和與加速器電極隔開的高能位置之間橫向移動(dòng)的導(dǎo)電的切換棒。
依照本發(fā)明的另一方面，提供用來(lái)在低能模式中操作帶電粒子加速器的方法。帶電粒子加速器包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源和與高壓電源耦合的加速器柱狀物。加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電粒子束的孔的加速器電極和接在諸加速器電極當(dāng)中的毗鄰電極之間用來(lái)在諸加速器電極之中分配高電壓的電阻器。該方法包括在低能模式中禁止高壓電源激勵(lì)加速器柱狀物和在低能模式中把加速器電極電連接到參考電位上的步驟。
圖7是圖6所示的完備的開關(guān)組件的局部透視圖；圖8是依照本發(fā)明的實(shí)施方案的傳動(dòng)桿和開關(guān)元件的透視圖；圖9是圖解說(shuō)明開關(guān)組件的第三實(shí)施方案的加速器的局剖側(cè)視圖，其中開關(guān)元件在高能模式中與各自的加速器電極接觸。


圖10是圖9所示加速器的局剖側(cè)視圖，其中開關(guān)元件在低能模式中與各自的加速器電極接觸；圖11是與圖9和圖10的開關(guān)組件合并的串列式加速器的示意圖；圖12是依照本發(fā)明的第四的實(shí)施方案的開關(guān)組件和單個(gè)的加速器電極的透視圖；圖13是依照本發(fā)明的第五實(shí)施方案與開關(guān)組件合并的串列式加速器的示意圖；圖14是與本發(fā)明的第六實(shí)施方案合并的串列式加速器的局部示意圖；圖15是沿著束軸線看到的本發(fā)明的第六實(shí)施方案的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述依照本發(fā)明的離子注入設(shè)備在高能模式中能夠在高能下操作，在低能模式中能夠在低能下操作。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，有效的低能操作是通過(guò)提供在低能模式中把高能加速器的加速器電極接到諸如接地或負(fù)電壓之類的參考電位上的裝置和方法在高能注入設(shè)備中得以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)把加速器電極接到參考電位上，正電位從加速器電極上除去，因此使粒子束堆積的剩余寄生電位或電荷在低能注入期間將對(duì)離子束產(chǎn)生不利影響的可以性減少到最低。具體地說(shuō)，開關(guān)組件被用于防止不受控制的加速器電極電壓，否則該電壓將會(huì)把自由電子從離子束中除掉并且減少通過(guò)離子注入設(shè)備的定向輸送。
如圖1所示，離子注入設(shè)備10包括離子源12。離子源12將攙雜材料的原子離子化，形成具有幾萬(wàn)電子伏特能量的離子束14。該離子束可以包括用于高能操作的陰離子或用于低能操作的陽(yáng)離子。在這個(gè)階段，該離子束可以包括由攙雜材料產(chǎn)生的多樣的物種、同位素和電荷狀態(tài)。特定的同位素、物種或電荷狀態(tài)是用質(zhì)譜儀16進(jìn)行選擇的。然后，離子束14在進(jìn)入高能帶電粒子加速器20之前在完成離子束聚焦和定中心的低能四極透鏡18中進(jìn)行調(diào)節(jié)。加速器20在下面予以詳細(xì)地討論。
在離子束14離開加速器20之后，它被高能四極透鏡22再一次調(diào)節(jié)，把離子束14聚焦到掃描器24的入口上。掃描器24在終端站30中橫過(guò)晶片28的表面掃描離子束14。平行化磁鐵26是為了保證離子束14橫跨晶片表面以恒定不變的角度入射到晶片28上。
帶電粒子加速器20可以是用圖2示意地圖解說(shuō)明的串列式加速器20。如圖2所示，離子束14在入口32進(jìn)入加速器20、途徑具有加速器電極34的第一(或低能)加速器管33、端子36、具有加速器電極38的第二(或高能)加速器管37，在出口40退出加速器20。低能加速器管33、端子36和高能加速器管37組成加速器柱狀物。應(yīng)該注意離子束14在圖1中是從左到右輸送的，但是在圖2中是從右到左輸送的。加速器電極34、36是彼此隔開的有用于輸送離子束14的孔41的導(dǎo)電板。在圖2的例子中，加速器電極34包括電極34a、34b、34c、34d和34c，而加速器電極38包括電極38a、38b、38c、38d和38e。在加速器的具體實(shí)踐中，通常使用大量的加速器電極。在一個(gè)例子中，加速器的每個(gè)加速器管33、37都包括24個(gè)加速器電極。毗鄰的加速器電極是用高阻值的電阻器42(例如，110兆歐的電阻器)連接起來(lái)的。
串列式加速器20是為了在正高壓(例如，大約880千伏(kV))被高壓電源43加到端子36上的高能模式中操作而設(shè)計(jì)的。的高電壓在加速器電極34和38之中被電阻42分配。具體地說(shuō)，在電阻器42具有相等的電阻值的情況下，加速器管33和37的加速器電極在端子36的高電壓和地之間有電壓梯度，在毗鄰的加速器電極之間電壓相等。為了使不產(chǎn)生電弧的高壓操作變得容易，加速器電極34和36、電阻器42和端子36可以安裝在用SF6氣體增壓的高壓箱45中。
端子36包括電荷交換裝置(未示出)，它通過(guò)除去電子把離子束14中的一部分負(fù)離子轉(zhuǎn)變成正離子。束14中的負(fù)離子被低能加速器管33加速，然后在端子36中被轉(zhuǎn)變成正離子的離子被高能加速器管37進(jìn)一步加速。調(diào)節(jié)加在端子36上的高電壓，以便將離子束14加速到預(yù)期的注入能量。因此，例如，如果負(fù)離子以50keV的能量進(jìn)入加速器而且端子的電壓被調(diào)節(jié)到750千伏，那么在離子束14中帶一個(gè)電子電荷的正離子以1550keV的能量退出加速器，在加速器中已得到1500keV的能量。
人們希望在把高壓電源43關(guān)掉的低能模式中操作圖1中的離子注入設(shè)備10。具體地說(shuō)，高壓電源43被這樣關(guān)掉或者從加速器管33和37處斷開，以致高電壓不被加到加速器電極34、38上。然而，在低能模式中，加速器電極34、38和端子36上的寄生電壓由于增加分子間的靜電拒斥作用可以通過(guò)除去來(lái)自束中的自由電子引起束擴(kuò)張對(duì)離子束14產(chǎn)生不利的影響。
申請(qǐng)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)注入設(shè)備10在低能模式中操作時(shí)，通過(guò)把加速器20的加速器電極34、38和端子36接地，或者通過(guò)把比較小的負(fù)電位加到加速器電極34、38和端子36上，這些效應(yīng)可以減少到最小。優(yōu)選的是開關(guān)組件在低能模式中把加速器電極電連接到參考電位上，在高能模式中使加速器電極與參考電位電隔離。在圖2的實(shí)施方案中，開關(guān)組件包括開關(guān)元件70，包括接在相鄰的加速器電極之間的開關(guān)元件70a-70d和70g-70i以及接在各自的加速器電極和端子36之間的開關(guān)元件70e和70f。。開關(guān)組件還包括在圖2中未示出但在下面將予以描述的用來(lái)在開和關(guān)兩種狀態(tài)之間操作開關(guān)元件的切換執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)元件70a-70i被關(guān)閉時(shí)，在低能模式中就操作而言加速器電極34和38以及端子36被接地。當(dāng)開關(guān)元件70a-70i被打開時(shí)，在高能模式中高電壓可以被加到電極34和38上。
開關(guān)元件70可以作為機(jī)械開關(guān)或電子開關(guān)被提供。開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是機(jī)械的、機(jī)電的或電子的。開關(guān)組件的一些特定的實(shí)施方案下面予以描述。本發(fā)明不局限于這些特定的實(shí)施方案，而是可以延伸到任何適合在低能模式中把加速器電極34、38和端子36接到參考電位(例如，接地或負(fù)電壓)上的儀器設(shè)備。
開關(guān)組件的第一實(shí)施方案是結(jié)合圖3至圖5予以描述的。該開關(guān)組件包括被固定到每個(gè)加速器電極34、38上的柔性導(dǎo)體44、執(zhí)行機(jī)構(gòu)47和接在執(zhí)行機(jī)構(gòu)47和柔性導(dǎo)體44之間的傳動(dòng)桿46。分別地固定在而且使到加速器電極34a、34b和34c上的柔性導(dǎo)體44a、44b和44c是在圖3和圖4中展示的。每個(gè)柔性導(dǎo)體都在位置72固定到加速器電極之一34、38上。每個(gè)柔性導(dǎo)體44的一部分74可以在柔性導(dǎo)體44接觸在位置72固定它的加速器電極34的高能位置(圖3)和柔性導(dǎo)體44接觸固定它的加速器電極34和相鄰的加速器電極34兩者的低能位置(圖4)之間移動(dòng)。因此，舉例來(lái)說(shuō)，柔性導(dǎo)體44的部分74是在接觸加速器電極34a的高能位置(圖3)和接觸相鄰的加速器電極34b低能位置(圖4)之間活動(dòng)的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)47和傳動(dòng)桿46在高能位置和低能位置之間移動(dòng)柔性導(dǎo)體44。業(yè)已發(fā)現(xiàn)把加速器電極34、38和端子36接到參考電位上將消除在加速器諸要素上的寄生電位，借此保證加速器在低能模式中運(yùn)行時(shí)寄生電位不對(duì)離子束產(chǎn)生不利的影響。
在串列式加速器20中每組加速器電極34、38可以與分開的傳動(dòng)桿46一起提供，每個(gè)傳動(dòng)桿單獨(dú)受分開的執(zhí)行機(jī)構(gòu)47驅(qū)動(dòng)。作為替代，單一的傳動(dòng)桿46可以被用來(lái)移動(dòng)在加速器電極34和38上的數(shù)套柔性導(dǎo)體44。例如，使用兩個(gè)傳動(dòng)桿46可能是符合要求的，在這種情況下端子36阻止一個(gè)傳動(dòng)桿46被用來(lái)移動(dòng)在兩套加速器電極34和38上的柔性導(dǎo)體44。傳動(dòng)桿46在圖3至圖5的實(shí)施方案中是絕緣體。
柔性導(dǎo)體44在高能位置電隔離相鄰的加速器電極34和38和端子36。優(yōu)選的是開關(guān)組件被設(shè)計(jì)成在高能模式中對(duì)操作的影響最小，具體地說(shuō)是在把高電壓加到加速器電極34、38和端子36上的時(shí)候使產(chǎn)生電弧的危險(xiǎn)最小。當(dāng)人們希望在低能模式中使用離子注入設(shè)備的時(shí)候，借助開關(guān)組件禁止把高電壓加到加速器堆上和把加速器電極34、38和端子36接到參考電位上。在圖3和圖4的實(shí)施方案中，開關(guān)組件可以相互連接起來(lái)，通過(guò)激勵(lì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)47，移動(dòng)傳動(dòng)桿46，并借此把每個(gè)柔性導(dǎo)體44移動(dòng)到與相鄰的加速器電極接觸。這實(shí)際上是短路每個(gè)電阻器器42(圖2)，把每個(gè)加速器電極34、38和端子36放在與最后一個(gè)加速器電極相同的電位上。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，如果最后一個(gè)加速器電極被接地，那么所有的加速器電極34、38和端子36都被接地。作為替代，如果最后一個(gè)加速器電極被接到負(fù)電位上，那么所有的加速器電極34、38和端子都被接到那個(gè)電位上。如圖2所示，加速器電極34a是接地的。因此，當(dāng)開關(guān)元件70a-70i被關(guān)閉時(shí)(在導(dǎo)通狀態(tài)中)，所有的加速器電極34、38和端子36都被接地。
每個(gè)柔性導(dǎo)體44都可以在位置72利用任何適當(dāng)?shù)难b置(例如，羅栓76)或焊接固定到它相應(yīng)的電極34、38或端子36上。每個(gè)柔性導(dǎo)體44的部分74是活動(dòng)的，使柔性導(dǎo)體44能夠接觸相鄰的加速器電極34、38和端子36。
如圖5所示，傳動(dòng)桿46可以穿過(guò)每個(gè)柔性導(dǎo)體44上的孔49。在這個(gè)實(shí)施方案中，孔49是加長(zhǎng)的，為的是使傳動(dòng)桿46在柔性導(dǎo)體44從高能位置移到低能位置時(shí)能夠保持在給定的軸線上。為了應(yīng)傳動(dòng)桿46可以在每個(gè)加速器電極34、38上提供孔51。作為替代，傳動(dòng)桿可以在加速器電極34、38和端子36的邊界外面通過(guò)。
柔性導(dǎo)體44可以用被寧可造形如鈹銅(BeCu)或其它適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料制成長(zhǎng)條形薄片。優(yōu)選的是柔性導(dǎo)體用彈性導(dǎo)電材料制成在高能模式中能夠在加速器電極上躺平，以避免意外地引起加速器堆短路或引起相鄰加速器電極之間的放電。
如上所述，用圖3至圖5展示的開關(guān)組件的實(shí)施方案包括直接固定到加速器電極34和38上的柔性導(dǎo)體44。在用圖6和圖7展示另一個(gè)實(shí)施方案中，開關(guān)組件是獨(dú)立的單元。在圖6和圖7中展示的獨(dú)立的開關(guān)組件48包括一摞電隔離的導(dǎo)電板50、在位置72固定到各自的導(dǎo)電板上的柔性導(dǎo)體44、傳動(dòng)桿46和執(zhí)行機(jī)構(gòu)47。在圖7的實(shí)例中，那摞導(dǎo)電板50包括分別有柔性導(dǎo)體44a和44b固定在上面的導(dǎo)電板50a和50b。在實(shí)際設(shè)備中，一塊導(dǎo)電板50對(duì)應(yīng)于加速器中的每個(gè)加速器電極。因此，在圖2的實(shí)施方案中，一塊導(dǎo)電板50對(duì)應(yīng)于每個(gè)加速器電極34a-34e和38a-38e。導(dǎo)電板50可以被一塊或多塊絕緣材料52隔開。每塊導(dǎo)電板50被電連接到一個(gè)加速器電極上。優(yōu)選的是，導(dǎo)電板50具有與接到它們上的各自的加速器電極相同的間隔。每個(gè)柔性導(dǎo)體44在位置72被連接到導(dǎo)電板50之一上，而部分74是自由的，借助傳動(dòng)桿46的運(yùn)動(dòng)被移動(dòng)到與相鄰的板接觸。因?yàn)樗哪K性質(zhì)，獨(dú)立的開關(guān)組件可能是有用的，例如，改造現(xiàn)有的加速器使那些加速器能夠被用于低能注入。
圖8圖解說(shuō)明傳動(dòng)桿46、連接機(jī)構(gòu)54和柔性導(dǎo)體44的一種實(shí)現(xiàn)。如圖8所示，每個(gè)柔性導(dǎo)體44備有一個(gè)定位鍵53。定位鍵53是彎曲的而且備有一個(gè)允許它借助適當(dāng)?shù)木o固件(例如，螺絲56)固定到傳動(dòng)桿46上的孔。然而，本發(fā)明不局限于這種考慮，把柔性導(dǎo)體44連結(jié)到傳動(dòng)桿46上的任何適當(dāng)?shù)姆椒ǘ际强梢圆捎玫?。例如，在圖2-7中，柔性導(dǎo)體44是用對(duì)著柔性導(dǎo)體44的每個(gè)邊釘并且被釘?shù)絺鲃?dòng)桿46上的釘子58圍繞著開口49固定到傳動(dòng)桿46上的。盡管在這個(gè)實(shí)施方案中揭示的是兩個(gè)釘子58，但是如果每個(gè)柔性導(dǎo)體44都被彈性偏置到頂住加速電極34、38或端子36，可以使用一個(gè)釘58。在另一個(gè)實(shí)施方案中(未予以展示)中，傳動(dòng)桿46與對(duì)置邊緣上的溝槽一起成形而且穿過(guò)柔性導(dǎo)體44上的鍵槽形的開口。在所述的實(shí)施方案中，傳動(dòng)桿46可以是用聚甲醛樹脂或另一種絕緣材料制成的。
傳動(dòng)桿46可以通過(guò)連接機(jī)構(gòu)54接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)47(圖3)上。連接機(jī)構(gòu)54的特殊構(gòu)造取決于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，而且可以使不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠與標(biāo)準(zhǔn)的傳動(dòng)桿一起使用?？煞滦У膱?zhí)行機(jī)構(gòu)包括但不限于氣動(dòng)或液壓活塞缸、電磁螺線管和其它通用的機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)47位于裝有加速器電極34、38和端子36而且采用了適當(dāng)?shù)酿佀脱b置的壓力容器45(圖2)的外面。雖然能夠把機(jī)械運(yùn)動(dòng)從第一壓力區(qū)傳遞到第二壓力區(qū)的任何傳統(tǒng)的饋送裝置都可以使用，但是可仿效的饋送裝置都包括波紋管和套管。特定的饋送裝置可以根據(jù)特定的壓力變化范圍以及所需要的傳動(dòng)桿行程進(jìn)行選擇。
在這個(gè)實(shí)施方案中，通常用金屬制成的傳動(dòng)桿末端軸頸穿過(guò)法蘭進(jìn)入在壓力容器的大氣一側(cè)有支座軸承的差動(dòng)密封艙。傳動(dòng)桿在壓力容器內(nèi)部的軸承中被支撐在端子的位置上。許多其它方法是可用的，本發(fā)明不局限于任何特定的用來(lái)移動(dòng)傳動(dòng)桿的方法和裝置。
用來(lái)測(cè)試開關(guān)組件的技術(shù)是參照?qǐng)D2予以描述的。如圖2所示，每個(gè)加速器電極34、38和端子36都通過(guò)電阻器42接到相鄰的加速器電極34、38或端子36上。在圖解說(shuō)明的實(shí)施方案中，電阻器42是110兆歐。因此，電阻器42被串聯(lián)地接在高能分壓器(HED)的端子59和低能分壓器(LED)的端子60之間。諸如發(fā)光二極管之類的非必選電路可以被提供，以便向操作員表明該電路何時(shí)被激活。電阻器42可以借助開關(guān)元件70被短路，從而使每個(gè)加速器電極的電位憑借前面結(jié)合圖1-8討論的開關(guān)組件的動(dòng)作接近參考電位。在圖2的實(shí)施方案中，參考電位是接地。
開關(guān)組件的操作要求在低能模式中與柔性導(dǎo)體44和每個(gè)加速器電極34、38或?qū)щ姲?0之間的電接觸相對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件70a-70i閉合。這個(gè)操作可以用幾種方法之一進(jìn)行測(cè)試。在一個(gè)實(shí)施方案中，如圖2所示，直流測(cè)試信號(hào)可以是通過(guò)高壓二極管63輸入的，而測(cè)試信號(hào)的直流電流是實(shí)測(cè)的。直流電流是開關(guān)組件正常操作的指示。換言之，一個(gè)電流值是在所有的開關(guān)元件70a-70i都被關(guān)閉并且都與加速器電極電接觸時(shí)實(shí)測(cè)的，而不同的電流值是在開關(guān)元件70a-70i之中的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件被打開時(shí)實(shí)測(cè)的。作為替代，可以通過(guò)高壓電容器輸入脈沖測(cè)試信號(hào)，監(jiān)視反射信號(hào)，以確定通過(guò)開關(guān)元件70a-70i的串聯(lián)質(zhì)量。在采用脈沖測(cè)試信號(hào)時(shí)，二極管63可以用高壓電容器代替。預(yù)期的信號(hào)和收到的信號(hào)之間進(jìn)行比較將提供開關(guān)組件操作狀態(tài)的指示。在開關(guān)組件非正常操作的事件中可以提供適當(dāng)?shù)膱?bào)警或指示。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案是用圖9-11予以圖解說(shuō)明的。圖9和圖10是這樣取向的，以致離子束14從底部進(jìn)入加速器的圖解部分并且在頂部離開。這個(gè)實(shí)施方案使得負(fù)電流在低能模式中能夠被加到開關(guān)元件上。
明確地說(shuō)，如圖9和圖10所示，負(fù)高壓電源62通過(guò)電阻器66被接到用絕緣塊64與其相應(yīng)的加速電極38a電隔離的第一柔性導(dǎo)體44r上。開關(guān)組件在低能模式中動(dòng)作時(shí)，傳動(dòng)桿46移動(dòng)柔性導(dǎo)體44r、44s、44t等，使它們分別與相鄰的加速器電極38b、38c、38d等咬合。隨后或同時(shí)，電源62被激活，使負(fù)電流通過(guò)柔性導(dǎo)體44流動(dòng)。
在被圖解說(shuō)明的實(shí)施方案中，負(fù)電位(例如，-500伏特)被加到可能是500千歐的電阻器66和柔性導(dǎo)體44的串聯(lián)電路上。通過(guò)電阻器66和柔性導(dǎo)體44供應(yīng)的負(fù)電流是這樣選定的，即它足以克服在柔性導(dǎo)體44和加速器電極34、38或端子36之間的任何接觸電阻。此外，負(fù)電流的應(yīng)用是有利的，即可能在加速器電極上通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生的任何電位都將是負(fù)的而且將抑制電子離開粒子束。雖然-500伏特的負(fù)電位和500千歐的串聯(lián)電阻器已被描述，但是本發(fā)明在這方面是不受限制的，任何的適當(dāng)負(fù)電位和串聯(lián)電阻器都可以利用。優(yōu)選的是負(fù)電位在大約-250和-1000伏特之間變動(dòng)，由此產(chǎn)生的電流在大約1至5毫安的范圍內(nèi)。
圖11示意地圖解說(shuō)明為了在低能模式中應(yīng)用負(fù)電流而配置的加速器。圖2和圖11中相同的要素具有相同的參考數(shù)字。負(fù)高壓電源62經(jīng)電阻器66被接到與圖9和圖10中的柔性導(dǎo)體44r相對(duì)應(yīng)的開關(guān)元件80上。在低能模式中，開關(guān)元件70a-70i被關(guān)閉，而開關(guān)元件80在LE位置。這使得加速器電極34、38和端子36接地、負(fù)電流通過(guò)開關(guān)元件70a-70i和80流動(dòng)。在高能模式中，開關(guān)元件70a-70i被打開，開關(guān)元件80在HE放置，而電源62被斷開，因此準(zhǔn)許高電壓被加到加速器電極34、38和端子36上。
開關(guān)組件是否正常運(yùn)行可以通過(guò)測(cè)量負(fù)高壓電源62交付的電流得到證實(shí)。在高壓電源62具有-500伏特的輸出和電阻器66具有500千歐的阻值的實(shí)例中，1毫安的供電電流表明開關(guān)元件70a-70i和80正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)比，不足1毫安的供電電流表明一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件運(yùn)轉(zhuǎn)失靈。
在上述的每個(gè)實(shí)施方案中，柔性導(dǎo)體44可以被制成平的導(dǎo)電片。由于這樣的導(dǎo)電片是在在高電壓環(huán)境中使用的，所以該導(dǎo)電片優(yōu)選具有圓弧形邊緣并且不形成銳角，以使電暈放電的可能性最小。
在開關(guān)組件的第四實(shí)施方案中，柔性導(dǎo)體44是用金屬絲制成的。參照?qǐng)D12，開關(guān)組件150包括呈長(zhǎng)金屬線圈(160、162、164等)形式的柔性導(dǎo)體、傳動(dòng)桿46和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(未展示)。每個(gè)金屬線圈(160、162、164等)可以借助絕緣間隔物170附著到傳動(dòng)桿46上。每個(gè)金屬線圈在或靠近一端174處附著到一個(gè)加速器電極上，在另一端176是在高能模式中的同一個(gè)加速器電極和低能模式中的相鄰的加速器電極之間自由移動(dòng)的。金屬線圈(160、162、164等)以與前面結(jié)合圖3和4予以描述的柔性導(dǎo)體44a、44b、44c等相同的方式操作。
因?yàn)榻饘倬€的橫截面是圓形的，所以金屬線圈160、162、164等具有沒有銳利的邊緣的優(yōu)勢(shì)。金屬線圈在成形時(shí)要避免可能增大電弧放電風(fēng)險(xiǎn)的銳利的彎曲。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬線圈160、162、164等是用直徑為0.035英寸的鈹銅絲加工的。
在前面的描述中，單一的柔性導(dǎo)體44被接到每個(gè)加速器電極34、38上。但是，本發(fā)明不局限于這種考慮，可以為每個(gè)加速器電極34、38提供任何數(shù)目的柔性導(dǎo)體44。因此，可以通過(guò)使用多個(gè)柔性導(dǎo)體44或在每個(gè)柔性導(dǎo)體44上使用多個(gè)觸點(diǎn)提供剩余度。
上述的開關(guān)組件的實(shí)施方案已利用機(jī)械式開關(guān)元件。與開關(guān)組件的第五實(shí)施方案合并的串列式加速器的示意圖被展示在圖13中。在圖2和圖13中相同的要素具有同樣的參考數(shù)字。在圖13的實(shí)施方案中，開關(guān)元件是作為接在相鄰的加速器電極之間的二極管實(shí)現(xiàn)的。因此，例如，三個(gè)二極管200被串接在加速器電極38a和38b之間。
二極管200的極性是這樣的，以致二極管在高能模式中加負(fù)偏壓，而在低能模式中加正偏壓。雖然三個(gè)串聯(lián)的二極管在圖13的實(shí)施方案中被用在相鄰的加速器電極之間，但是人們應(yīng)該理解一個(gè)或多個(gè)二極管可以被接在相鄰的加速器電極之間，這取決于二極管的反向電壓額定值和在高能模式中加速器電極之間必需的工作電壓。
在圖13的實(shí)施方案中，二極管電源210是經(jīng)過(guò)模式開關(guān)212接到端子36上的。電源210具有與高壓電源43相反的極性。因此，當(dāng)高電壓電源43是正的時(shí)，電源210是負(fù)的。電源210的電壓足以在低能模式中把所有的二極管200置于導(dǎo)通狀態(tài)。電源210的電壓必須足以克服串接起來(lái)的高電壓二極管200的正向電壓降。優(yōu)選的是電源210在維持幾毫安的電流通過(guò)二極管200的恒流模式中工作。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，電源210是-3千伏。開關(guān)212在低能模式中把電源210接到端子36上。開關(guān)212和電源210構(gòu)成用于使用二極管作為開關(guān)元件的開關(guān)組件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
在高能模式，高壓電源43被激活，而且開關(guān)212把電源210與端子36打開。高壓電源為接在相鄰的加速器電極之間的二極管200加反向偏壓。因此，加速器在高能模式中工作，加速器電極(電極34a和38a除外)與參考電位電隔離。在低能模式中，高壓電源43被關(guān)閉或者以其它方式被禁止給端子36加高電壓。開關(guān)212被關(guān)閉，于是電源210被接到端子36上。負(fù)的電源210使二極管200導(dǎo)通，借此有效地把加速器電極34和38接到參考電位上。
與開關(guān)組件的第六實(shí)施方案合并的串列式加速器的局部示意圖是在圖14和圖15中展示的。在圖2、14和15中相同的要素具有相同的參考數(shù)字。在圖14和圖15的實(shí)施方案中，開關(guān)組件250包括切換棒252、支撐臂254、傳動(dòng)桿256和執(zhí)行機(jī)構(gòu)260。切換棒252能在與加速器電極34和38隔開的高能位置之間和與加速器電極34和38的邊緣接觸的低能位置之間橫向移動(dòng)。高能位置在圖14和15中是用實(shí)線圖解說(shuō)明的，而低能位置在圖14和15中是用虛線圖解說(shuō)明的。
切換棒252是通過(guò)支撐臂254安裝在傳動(dòng)桿256上的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)260與傳動(dòng)桿256耦合，它引起傳動(dòng)桿256旋轉(zhuǎn)并借此在高能位置和低能位置之間移動(dòng)切換棒252。切換棒252可以是導(dǎo)電的。因此，當(dāng)切換棒252處在接觸加速器電極34和38的低能位置時(shí)，加速器電極34和38被接到參考電位上，例如接地。在圖14的實(shí)例中，電極都通過(guò)加速器電極34被接地。
切換棒252優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)不管加速器電極的尺寸和位置如何變化都保證與每個(gè)加速器電極34和38電接觸的彈性導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施方案中，切換棒252包括用來(lái)接觸加速器電極34和38的彈性的導(dǎo)電夾。在另一個(gè)實(shí)施方案中，切換棒252包括覆以導(dǎo)電布料的泡沫塑料或其它彈性材料。
雖然本發(fā)明已結(jié)合能夠提供高能和低能兩種粒子束的離子束加速器予以說(shuō)明，但是本發(fā)明不局限于這種考慮，而是適用于任何需要把多個(gè)加速器電極同時(shí)接到參考電位上的帶電粒子加速器。
人們應(yīng)該理解不脫離本發(fā)明的精神和范圍可以對(duì)本說(shuō)明書中結(jié)合附圖描述的實(shí)施方案進(jìn)行各種各樣的修改。因此，我們傾向于把前面描述過(guò)并且用附圖展示的全部?jī)?nèi)容看作是舉例說(shuō)明，沒有任何限制意義。本發(fā)明僅僅如同權(quán)利要求書所定義的那樣受到限制。
權(quán)利要求
1.一種能在高能模式和低能模式中操作的帶電粒子加速器，該加速器包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源；與所述的高壓電源耦合的加速器柱狀物，所述的加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電離子束的孔和接在所述的加速器電極之中的相鄰電極之間用來(lái)在所述的加速器電極之間分配所述的高電壓的電阻的加速器電極，其中所述的高壓電源在低能模式中被禁止激勵(lì)所述的加速器柱狀物；以及包括一個(gè)或多個(gè)在低能模式中把所述的加速器電極電連接到參考電位上并且在高能模式中使所述的加速器電極與參考電位電隔離的開關(guān)元件的開關(guān)組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中每個(gè)所述的開關(guān)元件都包括有固定在所述的加速器電極之一上的第一部分和能在與所述的那個(gè)加速器電極電接觸的高能位置和與相鄰的加速器電極電接觸的低能位置之間移動(dòng)的第二部分的柔性導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件進(jìn)一步包括用來(lái)在高能位置和低能位置之間移動(dòng)所述的柔性導(dǎo)體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接在所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和每個(gè)所述的柔性導(dǎo)體之間的傳動(dòng)桿。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的帶電粒子加速器，其中所述的柔性導(dǎo)體包括導(dǎo)電片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的帶電粒子加速器，其中所述的柔性導(dǎo)體包括形成加長(zhǎng)線圈的導(dǎo)線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)元件被分別直接接到所述的加速器電極上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件包括一摞被分別接在所述的加速器電極上彼此電隔離的導(dǎo)電板，而且其中每個(gè)所述的開關(guān)元件包括其第一部分固定在所述的導(dǎo)電板上而其第二部分能在與所述的那一塊導(dǎo)電板電接觸的高能位置和與毗鄰的導(dǎo)電板電接觸的低能位置之間移動(dòng)的柔性導(dǎo)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件進(jìn)一步包括用來(lái)在高能位置和低能位置移動(dòng)所述的柔性導(dǎo)體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接在所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和所述的柔性導(dǎo)體之間的傳動(dòng)桿。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)元件包括分別與所述的加速器電極耦合的二極管，而且其中所述的二極管在高能模式中是被反向偏置的而在低能模式中是正向偏置的，以便提供一條連接參考電位的傳導(dǎo)路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的帶電粒子加速器，進(jìn)一步包括用來(lái)在低能模式中給所述的二極管加正偏壓的二極管電源。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的參考電位是接地。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的參考電位是負(fù)電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)元件把所述的加速器電極串聯(lián)到參考電位上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件包括在低能模式中用來(lái)把所述的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件移動(dòng)到與所述的加速器電極電接觸的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的帶電粒子加速器，其中所述的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件包括能在與所述的加速器電極電接觸的低能位置和與所述的加速器電極隔開的高能位置之間橫向移動(dòng)的導(dǎo)電的切換棒。
16.在包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源和與所述的高壓電源耦合的加速器柱狀物的帶電粒子加速器中，所述的加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電粒子束的孔的加速器電極和接在所述的加速器電極之中的毗鄰電極之間用來(lái)在所述的加速器電極當(dāng)中分配所述的高電壓的電阻，在低能模式中用來(lái)操作所述的帶電粒子加速器的方法包括下述步驟禁止所述的高壓電源在低能模式中激勵(lì)所述的加速器柱狀物；以及在低能模式中把所述的加速器電極電連接到參考電位上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中把所述的加速器電極電連接到參考電位上的步驟包括把所述的加速器電極與接在所述的加速器電極的毗鄰電極之間的活動(dòng)的開關(guān)元件串聯(lián)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中把所述的加速器電極電連接到參考電位上的步驟包括給與每個(gè)所述的加速器電極耦合的二極管加正偏壓，以便提供連接參考電位的傳導(dǎo)路徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中把所述的加速器電極電連接到參考電位上的步驟包括把所述的加速器電極電連接到接地。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中把所述的加速器電極電連接到參考電位上的步驟包括把所述的加速器電極電連接到負(fù)電壓上。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中把所述的加速器電極電連接到參考電位上的步驟包括把導(dǎo)電的切換棒橫向移動(dòng)到與所述的加速器電極進(jìn)入電接觸。
22.一種能在高能模式和低能模式中操作的帶電粒子加速器，其中包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源；與所述的高壓電源耦合的加速器柱狀物，所述的加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電粒子束的孔的加速器電極和接在所述的加速器電極的毗鄰電極之間用來(lái)在所述的加速器電極之中分配所述的高電壓的電阻，其中所述的高壓電源被禁止在低能模式中激勵(lì)所述的加速器柱狀物；以及包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件的開關(guān)組件，其中所述的開關(guān)元件能在所述的加速器電極被所述的開關(guān)元件電隔離的高能位置和所述的加速器電極被所述的開關(guān)元件電連接的低能位置之間機(jī)械地移動(dòng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的帶電粒子加速器，其中每個(gè)所述的開關(guān)元件都包括其第一部分被固定在所述的加速器電極之一上而其第二部分能在與所述的那一個(gè)加速器電極電接觸的高能位置和與毗鄰的加速器電極電接觸的低能位置之間移動(dòng)的柔性導(dǎo)體。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件進(jìn)一步包括用來(lái)在高能位置和低能位置之間移動(dòng)所述的柔性導(dǎo)體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接在所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和每個(gè)所述的柔性導(dǎo)體之間的傳動(dòng)桿。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的帶電粒子加速器，其中所述的柔性導(dǎo)體被分別直接接到所述的加速器電極上。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件包括一摞被分別接在所述的加速器電極上彼此電隔離的導(dǎo)電板，而且其中每個(gè)所述的開關(guān)元件都包括其第一部分被固定在所述的導(dǎo)電板之一上而第二部分能在與所述的那塊導(dǎo)電板電接觸的高能位置和與毗鄰的導(dǎo)電板電接觸的低能位置之間移動(dòng)的柔性導(dǎo)體。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的帶電粒子加速器，其中所述的參考電位是接地。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的帶電粒子加速器，其中所述的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件包括能在與所述的加速器電極電接觸的低能位置和與所述的加速器電極隔開的高能位置之間橫向移動(dòng)的導(dǎo)電的切換棒。
29.一種能在高能模式和低能模式中操作的帶電粒子加速器，其中包括用來(lái)產(chǎn)生高電壓的高壓電源；與所述的高壓電源耦合的加速器柱狀物，所述的加速器柱狀物包括眾多有用于輸送帶電粒子束的孔的加速器電極和接在所述的加速器電極的毗鄰電極之間用來(lái)在所述的加速器電極之中分配所述的高電壓的電阻，其中所述的高壓電源被禁止在低能模式中激勵(lì)所述的加速器柱狀物；以及包括分別與每個(gè)所述的加速器電極耦合的二極管的開關(guān)組件，其中所述的二極管在高能模式中是反向偏置的并且電隔離所述的加速器電極，而在低能模式中是正向偏置的并且把所述的加速器電極電連接到參考電位上。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的帶電粒子加速器，其中所述的參考電位是接地。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的帶電粒子加速器，其中所述的開關(guān)組件進(jìn)一步包括在低能模式中給所述的二極管加正偏壓的二極管電源。
全文摘要
這項(xiàng)發(fā)明提供一種有效地在高能模式和低能模式中操作包括帶電粒子加速器的離子注入設(shè)備的方法和裝置。帶電粒子加速器包括高壓電源、與高壓電源耦合的加速器柱狀物和開關(guān)組件。加速器柱狀物包括眾多加速器電極。高壓電源在低能模式中被禁止激勵(lì)加速器柱狀物釋放能量。開關(guān)組件包括在低能模式中把加速器電極電連接到參考電位上并且在高能模式中使加速器電極與參考電位電隔離的開關(guān)元件。在低能模式中，開關(guān)組件在輸送陽(yáng)離子束時(shí)防止加速器電極上是正電位，并因此使離子束的空間電荷擴(kuò)充減少到最小。
文檔編號(hào)H01L21/265GK1398505SQ01804801
公開日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2001年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月11日
發(fā)明者布喬恩·O·派德森, 彼得·E·馬西喬斯基, 威廉·G·古德諾思, 保羅·J·墨菲, 查爾斯·M·麥肯納 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備聯(lián)合公司