加速／減速システム内の電気的ストレス低減技術

专利摘要:
加速／減速システムにおける電気的ストレスを低減する技術が開示される。一つの特定の模範的な実施例では、この技術は加速／減速システムとして実現できる。この加速／減速システムは、荷電粒子ビームが通過し得るアパーチャを有する複数の電極を含む加速コラムを備えることができる。この加速／減速システムは、前記複数の電極にそれぞれ電気的に結合された複数の電圧グレーディング要素も備えることができる。この加速／減速システムは、更に、前記複数の電圧グレーディング要素の周囲の電界を緩和するために前記複数の電圧グレーディング要素に隣接して配置された複数の絶縁導体を備えることができる。
公开号:JP2011507163A
申请号:JP2010537157
申请日:2008-12-10
公开日:2011-03-03
发明作者:テクレットサディク カセン；ジェイ；ロウ ラッセル
申请人:ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド；
IPC主号:H01J37-248

专利说明:

[0001] 本発明は、一般には半導体製造技術に関し、特には加速／減速システムにおける電気的ストレスを低減する技術に関する。]
背景技術

[0002] イオン注入は高エネルギーイオンで基板を直接衝撃することによって基板内に化学種を堆積するプロセスである。半導体製造技術において、イオン注入は主としてターゲット材料の導電型及び導電レベルを変更するドーピングプロセスに使用されている。集積回路（ＩＣ）基板及びその薄膜構造内の正確なドーピングプロファイルは多くの場合適切なＩＣ性能に不可欠である。所望のドーピングプロファイルを達成するために、一以上の種を異なるドーズ及び異なるエネルギーレベルで注入することができる。]
[0003] 半導体ウェハ上にデバイスを形成するためには、種々の不純物を半導体ウェハの異なる深さに注入することが通常必要とされる。半導体ウェハに向けられたイオンビーム内の不純物のエネルギーによって不純物が半導体ウェハ内に侵入する深さが決まる。デバイスのサイズが縮小され、動作速度が増大するにつれて、例えば浅いトランジスタ接合を半導体ウェハ内に形成するためにきわめて低いエネルギーのイオンビームを用いることが望まれるようになってきた。]
[0004] 同時に、高エネルギーイオン注入は、いくつかの通常のプロセス、例えば、これに限定されないが、半導体ウェハのマスク処理の実行を不要にするため、製造コストを最低にすることができる。また、高エネルギーイオン注入により製造された半導体デバイスは比較的低レベルの接合リーク及び改善されたラッチアップ特性を示す。従って、高エネルギーイオン注入により実行されるイオン注入処理に関して生産収率を高くすることができる。それゆえ、高エネルギーイオン注入は、少なくとも一以上の半導体デバイス製造プロセスにおいてイオンを注入するのに有益であり得る。]
[0005] 図１は従来のイオン注入装置１００を示す。イオン注入装置１００は、イオン源１０２と、イオンビーム１０が通過する複雑なコンポーネントの列を備える。このコンポーネントの列は、例えば抽出マニピュレータ１０４、フィルタマグネット１０６、加速又は減速コラム１０８、アナライザマグネット１１０、回転質量スリット１１２、スキャナ１１４及びコレクタマグネット１１６を含むことができる。イオン源１０２、抽出マニピュレータ１０４及びフィルタマグネット１０６は端末１１８内に収容することができる。光ビームを扱う光学レンズの列と同様に、イオン注入装置コンポーネントはイオンビーム１０をエンドステーション１２０に向ける前にフィルタリング及びフォーカシングすることができる。イオンビーム１０をフィルタリング及びフォーカシングするイオン注入装置コンポーネントは光学素子又はビーム光学系ということができる。] 図１
[0006] 加速又は減速コラム１０８はイオン注入装置１００の重要なコンポーネントである。イオンビーム１０の所要のエネルギーレベル範囲は広いので（例えば約１ｋＶ〜約６００ｋＶ）、加速又は減速コラム１０８は広い電圧スペクトル（例えば約１ｋＶ〜約６００ｋＶ）を用いてイオンを加速又は減速することが要求され得る。]
[0007] 通常、イオンビーム１０をコラム１０８に沿って徐々に加速する（加速電位を分圧する）又は減速する（減速電位を分圧する）ために抵抗分圧器が使用され得る。即ち、一以上の抵抗をコラム１０８に沿って隣接電極間に電気的に接続することができる。従って、複数の抵抗は抵抗のチェーンを形成することができる。コラム１０８の各電極は抵抗チェーンに沿って所定の電気接点に電気的に接続することができる。こうして、加速又は減速電圧を抵抗で分配することができる。コラム１０８に沿う電圧の分配はグレーディング（勾配化）ということができる。動作電圧スペクトルが更に広くなり、電圧が増大するにつれて、通常の抵抗分圧器に対して懸念が生じ得る。]
[0008] 例えば、通常の抵抗分圧器は、低エネルギーの加速及び減速のために低い抵抗値を有する異なる抵抗チェーンを選択するためにスイッチを使用することができる。これらのスイッチは電気的に駆動され、電気スイッチと称されるものとすることができる。電気スイッチは例えばリレイで駆動することができる。これらのスイッチは加圧流体により駆動され、液圧／空圧スイッチと称されるものとすることもできる。液圧／空圧スイッチは誘電体材料からなる導管（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）送気管）内の加圧媒体により駆動することができる。しかし、導管と周囲の空気との誘電率の差のために、導管は高い電気的ストレスを受け、コラム１０８の高い電圧不安定性を生じる可能性がある。これが起こるのを避けるため、抵抗分圧器を適切にシールド及び絶縁してコラム１０８の適切な機能を確保する必要がある。]
[0009] また、通常の抵抗分圧器内の各抵抗要素及び／又はスイッチは、通常の抵抗分圧器がイオン注入用の広い電圧範囲内で動作しているとき、高い電界ストレスから保護されるようにする必要がある。例えば、高エネルギーモードでは、高い加速電圧（例えば約６５０ｋＶ）が抵抗チェーンに亘ってグレーディングされ得る。抵抗の導電材料、例えばリード部又はフェルール接続部を電界ストレスのためにシールドする必要がある。このようなシールドは、抵抗チェーンを高い絶縁耐力材料（例えばＳＦ６ガス）で満たされた加圧容器内に置くことによってすでに達成されている。また、通常の抵抗分圧器は送気管孔からの所望の電圧より低い電圧でアーク放電し得る。更に、このような構成では、抵抗チェーンの補修は、加圧容器を空にする必要があり、多大な時間と労力を要するために容易でない。]
[0010] 以上を考慮すると、イオン注入装置用の加速または減速荷電粒子を制御する現在の技術と関連して重大な問題及び欠点が存在することが理解できる。]
[0011] 加速／減速システムにおける電気的ストレスを低減する技術が開示される。一つの特定の模範的な実施例では、この技術は加速／減速システムとして実現できる。この加速／減速システムは、荷電粒子ビームが通過し得るアパーチャを有する複数の電極を含む加速コラムを備える。この加速／減速システムは、前記複数の電極にそれぞれ電気的に結合された複数の電圧グレーディング要素も備えることができる。この加速／減速システムは、更に、前記複数の電圧グレーディング要素の周囲の電界を緩和するために前記複数の電圧グレーディング要素に隣接して配置された複数の絶縁導体を備えることができる。]
[0012] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数の電圧グレーディング要素は複数の抵抗及び複数のスイッチの少なくとも一つを備えるものとし得る。]
[0013] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数の抵抗は抵抗の直列チェーンを備えるものとし得る。]
[0014] この特定の実施例の追加の特徴によれば、前記加速／減速システムは前記複数の電圧グレーディング要素及び前記複数の絶縁導体に結合されたステムを更に備えるものとし得る。]
[0015] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記加速／減速システムは複数のアクチュエータを更に備えるものとし得る。]
[0016] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記複数のスイッチはそれぞれ前記複数のアクチュエータに接続されているものとし得る。]
[0017] この特定の実施例の他の特徴によれば、少なくとも一つのスイッチは加圧流体により駆動され、前記加圧流体は加圧空気、加圧ガス及び加圧液体の少なくとも一つを含むものとし得る。]
[0018] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記加速／減速システムは、所定の電圧で電気的にブレークダウンするように構成された複数のスパークギャップ電極を更に備えるものとし得る。]
[0019] この特定の実施例の別の特徴によれば、前記複数のスパークギャップ電極は前記複数の電圧グレーディング要素と前記複数の絶縁導体との間に配置されているものとし得る。]
[0020] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記複数のスパークギャップ電極及び前記複数の絶縁導体は前記複数のアクチュエータに隣接して配置されているものとし得る。]
[0021] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記複数の抵抗は熱伝導性エポキシ及びシリコーンベース化合物の少なくとも一つを含む高絶縁耐力材料内に埋め込まれているものとし得る。]
[0022] 本発明の別の特定の実施例では、前記技術は加速／減速システムとして実現できる。この加速／減速システムは、荷電粒子ビームが通過し得るアパーチャを有する複数の電極を備える加速コラムを備える。この加速／減速システムは、前記複数の電極にそれぞれ電気的に結合された複数の電圧グレーディング要素も備えることができる。この加速／減速システムは、前記複数の電圧グレーディング要素に隣接して配置された所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンする複数のスパークギャップ電極を更に備えることができる。この加速／減速システムは、 前記複数の電圧グレーディング要素の周囲の電界を緩和するために前記複数のグレーディング要素に隣接して配置された複数の絶縁導体を更に備えることができる。]
[0023] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数の電圧グレーディング要素は複数の抵抗及び複数のスイッチの少なくとも一つを備えるものとし得る。]
[0024] この特定の実施例の追加の特徴によれば、前記複数の抵抗は抵抗の直列チェーンを備えるものとし得る。]
[0025] この特定の実施例の別の特徴によれば、前記複数のスパークギャップ電極の形状は楕円形及び球形の少なくとも一つであるものとし得る。]
[0026] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記加速／減速システムは複数のアクチュエータを更に備えるものとし得る。]
[0027] この特定の実施例の更に別の特徴によれば、前記複数のスイッチはそれぞれ前記複数のアクチュエータに接続されているものとし得る。]
[0028] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数のスパークギャップ電極及び前記複数の絶縁導体の少なくとも一つは前記複数のスイッチの各々と前記複数のアクチュエータの各々との接続部に隣接して配置されているものとし得る。]
[0029] この特定の実施例の他の特徴によれば、少なくとも一つのスイッチは加圧流体により駆動され、前記加圧流体は加圧空気、加圧ガス及び加圧液体の少なくとも一つを含むものとし得る。]
[0030] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数の絶縁導体は、前記複数の電圧グレーディング要素から半径方向に、前記複数のスパークギャップ電極よりも遠くに配置されているものとし得る。]
[0031] この特定の実施例の他の特徴によれば、前記複数の抵抗は熱伝導性エポキシ及びシリコーンベース化合物の少なくとも一つを含む高絶縁耐力の材料内に埋め込まれているものとし得る。]
[0032] この特定の実施例の追加の特徴によれば、前記複数のスパークギャップ電極が電気的にブレークダウンする前記所定の電圧レベルは、前記複数の絶縁導体内に位置する導体のサイズ、前記ステムの長さ及び前記複数のスパークギャップ電極の形状寸法のうちの少なくとも一つに基づくものとし得る。]
[0033] 本発明は図面に示される模範的な実施例を参照して以下に詳細に記載される。本発明は模範的な実施例に関連して以下に記載されるが、本発明はこれに限定されないものと理解されたい。本明細書に記載された技術にアクセスできる当業者は、追加の実施、変更及び具体化並びに他の使用分野を認識することができ、これらは本明細書に記載された本発明の範囲に含まれ、この点でも本発明は極めて有用である。]
[0034] 本発明のより完全な理解を容易にするために、添付図面につき本発明を以下に説明する。図面において同等の素子は同じ番号で示されている。これらの図は本発明を限定するものとして解釈すべきでなく、単なる例示を意図している。]
図面の簡単な説明

[0035] 通常のイオン注入器システムを示す。
本発明の一実施例による加速／減速システムの３次元図を示す。
本発明の一実施例による加速／減速システムの概略図を示す。
本発明の一実施例による抵抗アセンブリの概略図を示す。
本発明の一実施例による抵抗アセンブリの概略図を示す。
本発明の一実施例による電圧グレーディング要素、スパークギャップ電極及び絶縁導体の接合部の断面図を示す。]
実施例

[0036] 図２は、本発明の一実施例によるイオン注入装置の加速／減速システム２００の３次元構成図を示す。当業者はイオンビーム１０と加速又は減速コラム１０８のみが図２に組み込まれていることを認識すべきである。結果として、図２のこれらの素子は図１の対応する素子に関連して理解すべきである。] 図１ 図２
[0037] 図２につき説明すると、加速／減速システム２００において、イオンビーム１０はイオン源１０２（図１に示されている）から引き出される。加速／減速システム２００はイオンビーム１０の通路に沿って取り付けるのに適したブシュ２０２を備えることができる。ブシュ２０２はイオンビーム１０を取り囲み、複数の電極（図示せず）を含むことができる。加速／減速システム２００の第１の側２０４は、イオンビーム１０の荷電粒子が加速／減速システム２００の第１の側２０４でアパーチャ２２６（「コラムアパーチャ」）を経て加速／減速システム２００に入力するので、「入力側」ということができる。加速／減速システム２００の第２の側２０６は、イオンビーム１０の荷電粒子が加速／減速システム２００からアパーチャ２２６を経て出るので、「出力側」ということができる。] 図１ 図２
[0038] イオンビーム１０はアパーチャ２２６を走行中に加速／減速システム２００により加速又は減速することができる。イオンビーム１０の加速又は減速は一つ以上の電圧グレーディング要素２０８により制御することができる。一つ以上の電圧グレーディング要素２０８は一つ以上の抵抗２１０及び／又はスイッチ２１２を含むことができる。例えば、一つ以上の抵抗２１０は所定の抵抗値に設定された一つ以上の抵抗リンクとすることができる。また、一つ以上のスイッチは一つ以上のピストンとすることができる。一つ以上の抵抗２１０及び／又は一つ以上のスイッチ２１２は高い絶縁耐力を有する誘電体材料に埋め込むことができる。誘電体材料は熱伝導性エポキシ及びシリコーンベース複合物の少なくとも一つを含むことができる。一つ以上のスイッチ２１２はアクチュエータ（図示せず）に結合することができる。アクチュエータ（図示せず）は一つ以上のスイッチ２１２を駆動し、一つ以上の電圧グレーディング要素２０８内の一つ以上の抵抗２１０を短絡することができる。従って、電圧グレーディング要素２０８の抵抗値を制御することにより、加速／減速システム２００に供給される電圧を変化させることができる。例えば、５２０−５４５ｋＶの電圧が供給されるとき、所定のレベルの電流（例えば０．５ｍＡ）を加速／減速システム２００に流すことができる。中間レベルの電圧（例えば約３５０ｋＶ）が加速／減速システム２００に供給される場合でも、加速／減速システム２００の抵抗値を、同じレベルの電流の流れを維持するように調整することができる。例えば、電圧グレーディング要素２０８の４つの抵抗値をこの４つの電圧グレーディング要素２０８のスイッチ２１２を駆動することによって短絡させることができる。低レベルの電圧（例えば１２０ｋＶ）が加速／減速システム２００に供給される場合でも、加速／減速システム２００の抵抗値を、同じレベルの電流の流れを維持するように調整することができる。例えば、電圧グレーディング要素２０８の７つの抵抗値をこの７つの電圧グレーディング要素２０８のスイッチ２１２を駆動することによって短絡させることができる。従って、一以上の電圧グレーディング要素２０８の任意の組み合わせの抵抗値を短絡することにより加速／減速システム２００に供給される電圧を様々な電圧に調整することができる。]
[0039] アクチュエータ（図示せず）及び一つ以上のスイッチ２１２はそれぞれ異なる誘電率を有する異なる誘電体材料内に埋め込まれ得る。その結果、アクチュエータ（図示せず）と一つ以上のスイッチ２１２との間の接合部に高い電界ストレスが生じ得る。また、アクチュエータ（図示せず）と一つ以上のスイッチ２１２との間の接合部は滑らかな表面にならず、その結果としても電界ストレスを生じる。この接合部の電界ストレスを低減するために、一つ以上の絶縁導体２１４を一つ以上の電圧グレーディング要素２０８に隣接して配置することによって一つ以上の電圧グレーディング要素２０８の周囲の電界を緩和することができる。一つ以上の絶縁導体２１４は電界ストレスを低減するために所定の距離（例えば約４．５インチ）離して配置することができる。一つ以上の絶縁導体２１４は導体の周囲に配置された絶縁体（例えば７５キロボルト（ｋＶ）／インチより大きい絶縁耐力を有する）を含むものとし得る。この導体の表面の電気的ストレスは高い印加電圧及び小さい導体半径のために高くなり得る。それゆえ、最適な厚さを有する絶縁体を導体の周囲に配置してその電気的ストレスを低減することができる。一つ以上の絶縁導体２１４から電気力線が出ると、電界ストレスは低下し得る。従って、一つ以上の絶縁導体２１４はアクチュエータ（図示せず）と一つ以上のスイッチ２１２との接合部の電界ストレスを低減させ、より均一な電界分布を促進するのに役立つ。]
[0040] 図３につき説明すると、本発明の一実施例によるイオン注入器の加速／減速システム３００の模範的な概略図である。イオン源１０２は抽出電源３２４と関連する。抽出電源３２４はイオン源１０２にターミナル３１８に対して正の電圧を供給し得る。イオン源１０２は、減速スイッチ３１６及び減速電源３１４によりアース３３０から切り離され得る。イオン源１０２は、更に抽出電源３２４、加速スイッチ３１２及び加速電源３１０により切り離され得る。ターミナル３１８は加速スイッチ３１２及び加速電源３１０によりアース３３０から切り離され得る。本発明による荷電粒子加速／減速システム３００はイオンビーム１０を加速／減速することができる点に注意されたい。] 図３
[0041] ビーム１０はターミナル３１８のアパーチャを通過し、図２に示す加速／減速ブシュ２０２に入る。加速／減速ブシュ２０２は図３に複数の電極３３２で示されている。図３の実施例では、複数の電極３３２は電極３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃ，３３２ｄ，３３２ｅ，３３２ｆ及び３３２ｇを含む。イオンビーム１０は特定のエネルギーレベルに加速又は減速された後に加速／減速ブシュ２０２から出ることができる。] 図２ 図３
[0042] ビーム光学系を加速電圧に応じて制御するために、加速電源３１０により供給される正電圧を抵抗チェーン２１０及び液圧／空気圧スイッチ又は電気スイッチ２１２のチェーンにより電極３３２に供給することができる。図３の実施例では、抵抗チェーン２１０は抵抗２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ，２１０ｄ，２１０ｅ，２１０ｆ及び２１０ｇを含むことができる。スイッチのチェーン２１２は、抵抗２１０と並列に、スイッチ２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ，２１２ｄ，２１２ｅ，２１２ｆ及び２１２ｇを含むことができる。抵抗及びその対応スイッチはグレーディング抵抗アセンブリということができる。従って、荷電粒子加速／減速システム３００内に示される７つのグレーディング抵抗アセンブリは加速電圧を７つの等しい電圧に分圧する。抵抗２１０は、本発明の他の実施例では、同じ抵抗値にしないで、加速電圧を等しい電圧に分圧しないこともできる点に注意されたい。更に、図３に示されるように、スイッチ２１２のチェーンは３つの群に分けることができる。スイッチ２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃ及び２１２ｄは制御ケーブル３５２に接続することができる。スイッチ２１２ｅ及び２１２ｆは制御ケーブル３５４に接続することができる。スイッチ２１２ｇは制御ケーブル３５６に接続することができる。従って、７つの抵抗アセンブリは制御ケーブル３５２，３５４及び３５６により選択的に制御できる。この抵抗チェーンアセンブリは本明細書では電圧グレーディング抵抗アセンブリということができる。また、制御ケーブルの各々は本明細書ではアクチュエータということができる。] 図３
[0043] 荷電粒子加速／減速システム３００の一つの模範的な実施例では、スイッチ２１２の各々は、後述するように、加圧空気、ガス又は液体で駆動されるものとし得る。従って、各アクチュエータは誘電体材料からなる加圧空気管（例えばＰＴＦＥ空気管）とすることができ、スイッチを加圧空気、ガス又は液体で駆動することができる。]
[0044] 荷電粒子加速／減速システム３００の別の模範的な実施例では、スイッチ２１２の各々は電気的に駆動されるものとし得る。従って、各アクチュエータは電気信号を送ることによって駆動することができるもの（例えばリレイ）とし得る。]
[0045] 荷電粒子加速／減速システム３００は、イオンビーム１０に対して広い範囲のエネルギーレベル（単一荷電粒子に対して例えば１ｋＶ〜約７５０ｋＶ）を達成するように設計される。広範囲のエネルギーレベルは、荷電粒子加速／減速システム３００の複数の動作モードによって達成することができる。複数の動作モードは減速スイッチ３１６、加速スイッチ３１２、グレーディング抵抗アセンブリのスイッチ２１２、減速電源３１４及び加速電源３１０を以下に詳述するように連係動作させることによって与えることができる。更に、７つの選択的に制御される抵抗アセンブリは電極３３２間の抵抗を選択的に変更することができ、それによって以下に詳述するようにバラスト電流を適宜に維持することができる。]
[0046] 例えば、第１の代表的な動作モードでは、荷電粒子加速／減速システム３００は中間から高エネルギーレベル（例えば８０ｋＶ〜６２５ｋＶ）を達成するように動作することができる。この動作モードでは、減速スイッチ３１６は開いたままとし、加速スイッチ３１２を閉じることができる。抽出電源３２４により供給される正の抽出電圧によってイオンビーム１０を抽出することができる。加速電源３１０がターミナル３１８とアース３３０との間に正の電圧を与えることができる。従って、初期抽出エネルギーを得た後、イオンビーム１０を電極３３２により更に加速することができる。この代表的な動作モードは本明細書では加速モードということができる。]
[0047] 加速モードでは、加速電源３１０は、例えば６７０ｋＶ程度の高い制御電圧を供給することができるが、これに限定されない。この加速動作モードは高エネルギービーム加速動作モードというもこともできる。高エネルギービーム加速モードでは、減速スイッチ３１６はイオン源１０２とアース３３０との間に６７０ｋＶより大きい電圧差を維持するように設計することができる。]
[0048] また、加速動作モードでは、イオンビーム１０の所望のエネルギーレベルをエネルギーレベル範囲の低端にすることもでき、加速電源３１０により供給される正の電圧を低くすることができる。この加速動作モードは低エネルギービーム加速モードということができる。すでに述べたように、ある特定の状況では、イオンビームの剛性（rigidity）が低いため、電極３３２がイオン又は二次イオン／電子をインターセプト（例えばビーム衝突）する可能性がある。それゆえ、この加速動作モードでは模範的な電極３３２間に低エネルギー電位勾配を維持するためにより高いバラスト電流が必要とされ得る。]
[0049] 図４Ａ及び４Ｂは本発明の一実施例による２つの動作モードにおける模範的な抵抗アセンブリ４００を示す。抵抗アセンブリ４００は本発明によるか荷電粒子加速／減速システムの模範的な実施例に使用することができる。例えば、抵抗アセンブリ４００は荷電粒子加速／減速システム３００に使用することができる。対抗アセンブリ４００はターミナル３１８と第１の電極３３２ａとの間に配置することができ、また図３における任意の２つの隣接電極間に配置することができる。即ち、電気接点４２２及び４３２はターミナル３１８及び第１の電極３３２ａに接続することができ、また任意の２つの電極に接続することができる。これにより荷電粒子加速／減速システム３００の加速又は減速モードのための電圧差を維持することができる。] 図３ 図４Ａ
[0050] 図４Ａを参照すると、本発明の一実施例による第１の動作モードにおける模範的な抵抗アセンブリ４００が示されている。図４Ａに示されているように、第１の動作モードでは、スイッチ４１０は開いている。即ち、スイッチ４１０の筐体４１４内のシャトル４１２は第１の電気接点４１８に接続され、筐体４１４内の絶縁媒体により第２の電気接点４１６から分離されている。絶縁媒体は空気又は高い絶縁耐力のガス（例えばＳＦ６）または液体（例えば液体シリコーン）とすることができる。筐体４１４の少なくとも一部分は、シャトルが電気接点４１６と物理的に接触しないとき、２つの電気接点４１６及び４１８は電気的に接続されないように非導電性の材料からなるものとすることができる。] 図４Ａ
[0051] 電気接点４１６は２つの抵抗４０４ａ及び４０４ｂを経て電気接点４２２に接続することができる。抵抗４０４ａ及び４０４ｂは図に示されるように直列に接続することができる。電気接点４１８は３つの抵抗４０４ｃ，４０４０ｄ及び４０４ｄを経て電気接点４３２に接続することができる。抵抗４０４０ｃ，４０４ｄ及び４０４ｅは図に示されるように直列に接続することができる。]
[0052] スイッチ４１０が開いている第１の動作モードでは、抵抗４０４を流れる電流は存在せず、電気接点４２２及び４３２間の電圧が開いたスイッチ４１０によって維持される。従って、荷電粒子加速／減速システム３００が高エネルギーレベルのための加速モードで動作しているとき、高い電圧（例えば１１２ｋＶ）がスイッチ４１０によって維持され得る。よって、スイッチ４１０は高電圧環境に適した電気的又は液圧又は空気圧スイッチ、例えばヘラーに対して許可された米国特許第６，７１７，０７９号明細書に記載されているスイッチとすることができるが、これに限定されない。この特許文献は参照することによりその全内容が本明細書に組み込まれるものとする。]
[0053] 更に、スイッチ４１０が開いている第１の動作モードでは、電気接点４２２及び４３２間の電圧差が抵抗４０２のチェーンの両端間に分配される。抵抗４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄ及び４０２ｅは高及び中間エネルギー範囲で使用でき、例えば１抵抗アセンブリにつき約７５ＭΩ〜２００ＭΩの抵抗値を有することができる。]
[0054] 本発明の実施例による抵抗アセンブリの別の模範的な実施例では、抵抗４０２の並列／直列接続をバラスト電流要件に応じて使用することができる。]
[0055] 本発明の実施例による抵抗アセンブリの更に別の模範的な実施例では、３つ以上の抵抗を並列に接続し、並列接続抵抗の複数の群を電気接点４２２及び４３２間にチェーン接続することができる。]
[0056] 本発明の実施例による抵抗アセンブリの更に別の模範的な実施例では、電気接点４２２及び４３３間に単一抵抗を使用することができる。例えば、単一抵抗は約１０〜１００ＭΩの抵抗値、３０〜１００ｋＶの電圧定格及び１５〜１００Ｗの電力定格を有する金属酸化物の高電圧抵抗とすることができる。]
[0057] 図４Ｂを参照すると、本発明の一実施例による第２の動作モードにおける模範的な抵抗アセンブリ４００が示されている。図４Ｂに示されるように、第２の動作モードでは、スイッチ４１０は電気接点４１６と４１８を電気的に接続することができる。即ち、シャトル４１２が絶縁媒体を横切って延長して電気接点４１６に接続する。シャトル４１２は、ヘラーの特許に記載されているように、加圧ガスにより加圧されて絶縁媒体を横切って移動する。] 図４Ｂ
[0058] 前述したように、荷電粒子加速／減速システム３００が低エネルギー又は減速動作モードで動作するとき、端子３１８と電極３３２との間に低い電圧差を維持する必要がある。この場合には、電気接点４２２及び４３２間に低い電圧差を十分なバラスト電流とともに維持するために抵抗アセンブリ４００を用いることができる。十分なバラスト電流は抵抗４０４を低い抵抗値に維持することによって達成でき、例えば１抵抗アセンブリにつき２０ＭΩ〜４０ＭΩ、に維持することができるが、これに限定されない。抵抗４０４は抵抗４０２に並列であるため、低い電圧差（例えば１０ｋＶ）に対して高いバラスト電流を電気接点４２２及び４３２間に維持することができる。]
[0059] 本発明の実施例による抵抗アセンブリの別の模範的な実施例では、抵抗４０４は除去することができる。即ち、電気接点４１６を電気接点４２２に直接接続し、電気接点４１８を電気接点４３２に直接接続することができる。その結果、第２の動作モードでは、抵抗アセンブリ４００は電気接点４２２と電気接点４３２を短絡することができる。]
[0060] 本発明の実施例による抵抗アセンブリの更に別の実施例では、電気接点４１６及び４２２間及び電気接点４１８及び４３２間にもっと多数の又はもっと少数の抵抗を使用することができる。]
[0061] 図５は本発明の一実施例によるイオン注入装置の加速／減速システム５００の断面図を示す。図５に示されるように、アクチュエータ５０２（例えば空気管）は一つ以上のスイッチを駆動するために一つ以上の電圧グレーディング要素のストレスシールド５０６の開口部５０４に結合することができる。ストレスシールド５０６の開口部５０４における凹凸表面のために、電界ストレスが開口部５０４に生じ得る。従って、開口部５０４における電界ストレスを緩和するために、一つ以上の絶縁導体５１４を開口部５０４にステム５０８を介して結合することができる。ステム５０８が導電材料からなる場合には、ストレスシールド５０６及び一つ以上の絶縁導体５１４を同じ電位に附勢することができる。ストレスシールド５０６及び一つ以上の絶縁導体５１４を同じ電位に附勢することによって、開口部５０４に等電位領域を生成し、開口部５０４における電界ストレスを除去することができる。] 図５
[0062] ストレスシールド５０６は誘電体材料内に封入することができる。一つ以上の絶縁導体５１４は導体５１６の周囲に配置された７５ｋＶ／インチより大きい絶縁耐力を有する絶縁体５１２を有することができる。一実施例では、絶縁体５１２は固体絶縁物とすることができる。固体絶縁物は、エポキシ樹脂、シンタクチックフォーム、塩素化ポリビニルクロライド（ＣＰＶＣ）、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はポリイミド（例えばカプトン）を含むことができるが、これらに限定されない。一つの模範的な実施例では、絶縁体５１２は０．５インチの厚さを有するエポキシ樹脂からなるものとし得る。シンタクチックフォームはエポキシ樹脂やシリコーンなどの充填コンパウンド中に分散された中空ガラス球及び／又はポリマペレットを含むものとし得る。一実施例では、シンタチックフォーム絶縁体は、約０．２５インチ厚さを有するテストサンプルで約３００ｋＶの平均絶縁耐力を有することができる。他の実施例では、固体絶縁物は１５０ｋＶ／インチより大きな絶縁耐力を有するものとし得る。また、絶縁体５１２は内部空洞を画定するチャンバ壁を有し、内部空洞を液体又は気体絶縁物で満たすことができる。液体絶縁物はオイルを含むことができるが、これに限定されない。気体絶縁物は二酸化炭素（ＣＯ２）、６フッ化硫黄（ＳＦ６）又は加圧空気を含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの気体は非加圧時の絶縁耐力に依存して加圧する必要はないものとすることもできる。真空絶縁及び／又は複合絶縁を形成する任意の組み合わせも利用することができる。導体５１６は中空断面又は中実断面を有する高電圧導体とすることができる。]
[0063] ステム５０８はストレスシールド５０６の開口部５０４に結合することができる。ステム５０８は、電圧グレーディング要素（例えば２０８）の外部に隣接する一つ以上のスパークギャップ電極５１８を介して絶縁導体５１４に結合することもできる。ステム５０８は絶縁導体５１４を電圧グレーディング要素（例えば２０８）の外部から所定の距離に位置させることができる長さにし得る。ステム５０８の長さは、所要量の電気的ストレスシールドに相当するように変化させることができる。電気的ストレスのシールドはステム５０８の長さが減少するにつれて減少し得る。所定の距離はほぼゼロ（ほぼ接触）から周囲空隙により許される最大距離の範囲とし得る。一つの模範的な実施例では、所望の距離は少なくとも１．５インチ、例えば２インチである。ステム５０８は導電性材料又は非導電性材料又は導電性及び非導電性材料を含む複合材料で製造し得る。ステム５０８を非導電性材料で製造する場合には、開口部５０４に等電位領域を維持するためにステム５０８の内部に導体を配置することができる。]
[0064] スパークギャップ電極５１８は絶縁導体５１４とストレスシールド５０６との間に位置させることができる。スパークギャップ電極５１８は所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンするように調整できる。スパークギャップ電極５１８の幾何構造は所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンするように変えることができる。例えば、スパークギャップ電極５１８の形状を所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンするように変えることができる。模範的な実施例では、スパークギャップ電極５１８は球形又は楕円形にすることができる。スパークギャップ電極５１８の曲率を所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンするように変えることができる。]
[0065] スパークギャップ電極５１８は、ステム５０８が導電性材料からなるため、所定の電位、例えば電圧グレーディング要素（例えば２０８）と同じ電位に充電することができる。電圧グレーディング要素（例えば２０８）はチェーン抵抗（例えば２１０）を含むことができ、スパークギャップ電極５１８は高電圧側（例えばチェーン抵抗の前）又は低電圧側（例えばチェーン抵抗の後）に配置することができる。スパークギャップ電極５１８はチェーン抵抗（例えば２１０）と並列に配置することができ、チェーン抵抗（例えば２１０）より低い抵抗値を有するものとし得る。従って、スパークギャップ電極５１８は最も弱い通路を提供し、チェーン抵抗（例えば２１０）より先に所定の電圧で電気的にブレークダウンし得る。更に、スパークギャップ電極５１８は高電圧で電気的にブレークダウンすることができ、その結果高い電気的ストレスがスパークギャップ電極５１８の表面に生じ得る。しかし、絶縁導体５１４がスパークギャップ電極５１８の表面上の高い電気的ストレスをシールド及び／又は低減するため、スパークギャップ電極５１８はもっと高い電圧で電気的にブレークダウンすることが可能になる。]
[0066] 例えば、スパークギャップ電極５１８は、電気的ストレスを低減するように且つ過渡電圧が安全動作レベルを超えると同時に電気的にブレークダウンするように設計することができる。例えば、１．２ＭｅＶのイオン注入装置は１電圧グレーディング要素につき６５ｋＶを使用し得る。スパークギャップ電極５１８は最大過渡電圧を１電圧グレーディング要素につき約８５ｋＶに制限するように設計することができる。最大過渡電圧は絶縁導体５１４及び／又はスパークギャップ電極５１８を用いて制限することができる。絶縁導体５１４は０．５インチの厚さを有する絶縁体５１２と２．５インチの直径を有する導体５１６を含むものとし得る。スパークギャップ電極５１８は１インチの直径を有することができ、絶縁導体５１４は隣接する絶縁導体５１４から４．５インチ離して位置させることができる。]
[0067] 本発明の範囲は本明細書に記載した特定の実施例に限定されない。以上の説明及び添付図面から、本明細書に記載された実施例に加えて、他の種々の実施例及び変更例が当業者に明らかである。従って、このような他の実施例及び変更例も本発明の範囲に含むことを意図している。更に、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に関連して記載したが、その有用性はこれに限定されず、本発明は任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実施できることは当業者に認識されよう。従って、以下に記載する請求項は本明細書に記載された本発明の範囲の広さ及び精神を考慮して解釈すべきである。]

权利要求:

請求項1
荷電粒子ビームが通過し得るアパーチャを有する複数の電極を備える加速コラムと、前記複数の電極にそれぞれ電気的に結合された複数の電圧グレーディング要素と、前記複数の電圧グレーディング要素の周囲の電界を緩和するために前記複数のグレーディング要素に隣接して配置された複数の絶縁導体と、を備える、加速／減速システム。
請求項2
前記複数の電圧グレーディング要素は複数の抵抗及び複数のスイッチの少なくとも一つを備える、請求項１記載の加速／減速装置。
請求項3
前記複数の抵抗は抵抗の直列チェーンを備える、請求項２記載の加速／減速装置。
請求項4
前記複数の電圧グレーディング要素及び前記複数の絶縁導体に結合されたステムを更に備える、請求項１記載の加速／減速装置。
請求項5
複数のアクチュエータを更に備える、請求項１記載の加速／減速装置。
請求項6
前記複数のスイッチはそれぞれ前記複数のアクチュエータに接続されている、請求項５記載の加速／減速装置。
請求項7
少なくとも一つのスイッチは加圧流体により駆動され、前記加圧流体は加圧空気、加圧ガス及び加圧液体の少なくとも一つを含む、請求項２記載の加速／減速装置。
請求項8
所定の電圧で電気的にブレークダウンするように構成された複数のスパークギャップ電極を更に備える、請求項１記載の加速／減速装置。
請求項9
前記複数のスパークギャップ電極は前記複数の電圧グレーディング要素と前記複数の絶縁導体との間に配置されている、請求項８記載の加速／減速装置。
請求項10
前記複数のスパークギャップ電極及び前記複数の絶縁導体は前記複数のアクチュエータに隣接して配置されている、請求項９記載の加速／減速装置。
請求項11
前記複数の抵抗は熱伝導性エポキシ及びシリコーンベース化合物の少なくとも一つを含む高絶縁耐力の材料内に埋め込まれている、請求項２記載の加速／減速装置。
請求項12
荷電粒子ビームが通過し得るアパーチャを有する複数の電極を備える加速コラムと、前記複数の電極にそれぞれ電気的に結合された複数の電圧グレーディング要素と、前記複数の電圧グレーディング要素に隣接して配置された所定の電圧レベルで電気的にブレークダウンする複数のスパークギャップ電極と、前記複数の電圧グレーディング要素の周囲の電界を緩和するために前記複数のグレーディング要素に隣接して配置された複数の絶縁導体と、を備える、加速／減速システム。
請求項13
前記複数の電圧グレーディング要素は複数の抵抗及び複数のスイッチの少なくとも一つを備える、請求項１２記載の加速／減速装置。
請求項14
前記複数の抵抗は抵抗の直列チェーンを備える、請求項１３記載の加速／減速装置。
請求項15
前記複数のスパークギャップ電極の形状は楕円形及び球形の少なくとも一つである、請求項１２記載の加速／減速装置。
請求項16
複数のアクチュエータを更に備える、請求項１３記載の加速／減速装置。
請求項17
前記複数のスイッチはそれぞれ前記複数のアクチュエータに接続されている、請求項１６記載の加速／減速装置。
請求項18
前記複数のスパークギャップ電極及び前記複数の絶縁導体の少なくとも一つは前記複数のスイッチの各々と前記複数のアクチュエータの各々との接続部に隣接して配置されている、請求項１７記載の加速／減速装置。
請求項19
少なくとも一つのスイッチは加圧流体により駆動され、前記加圧流体は加圧空気、加圧ガス及び加圧液体の少なくとも一つを含む、請求項１３記載の加速／減速装置。
請求項20
前記複数の絶縁導体は、前記複数の電圧グレーディング要素から半径方向に、前記複数のスパークギャップ電極よりも遠くに配置されている、請求項１２記載の加速／減速装置。
請求項21
前記複数の抵抗は熱伝導性エポキシ及びシリコーンベース化合物の少なくとも一つを含む高絶縁耐力の材料内に埋め込まれている、請求項１３記載の加速／減速装置。
請求項22
前記複数のスパークギャップ電極が電気的にブレークダウンする前記所定の電圧レベルは、前記複数の絶縁導体内に位置する導体のサイズ、前記ステムの長さ及び前記複数のスパークギャップ電極の形状寸法のうちの少なくとも一つに基づいている、請求項１２記載の加速／減速装置。