用于加速离子束的设备

摘要

本发明提供了一种用于离子束加速的设备，该设备包括：a)第一电极，具有近侧和远侧，并且具有穿过该第一电极的至少一个孔，孔的壁的形状形成为使得位于第一电极的远侧上的孔的半径大于位于该电极的近侧上的孔的半径；b)第二电极，设置为使得与第一电极的远侧相邻但间隔开，并且具有穿过第二电极的至少一个孔；以及c)第三电极，设置为使得与第二电极相邻但间隔开，并且具有穿过第三电极的至少一个孔，在每个电极中的至少一个孔与其它电极中的相应的孔对准；其中，如此布置这些电极使得，在第一电极和第二电极之间存在电位差，并且在第二电极和第三电极之间存在电位差。

权利要求

1.一种用于加速正离子束的设备，包括：

第一电极，具有近侧和远侧，并且具有穿过所述第一电极的至少一个孔，所述孔的壁的形状形成为使得位于所述第一电极的所述远侧上的所述孔的半径大于位于所述电极的所述近侧上的所述孔的半径；

第二电极，设置为使得与所述第一电极的所述远侧相邻但间隔开，并且具有穿过所述第二电极的至少一个孔；以及第三电极，设置为使得与所述第二电极相邻但间隔开，并且具有穿过所述第三电极的至少一个孔，每个电极中的所述至少一个孔与其它电极中的相应的孔对准；

其中，如此布置这些电极，使得在所述第一电极和所述第二电极之间存在电位差，并且在所述第二电极和所述第三电极之间存在电位差。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极是射束形成电极，所述第二电极是提取电极，以及所述第三电极是接地电极。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二电极是发散静电透镜，所述第三电极是聚焦静电透镜。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极的成形的所述孔是有斜角的。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，每个电极的孔对于该电极的至少一部分厚度是平的，然后以20°～60°的角度向外倾斜。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，其中每个电极的孔对于该电极的至少一部分厚度是平的，然后以45°的角度向外倾斜。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，每个电极中的孔的形状相同。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，每个电极中的孔是圆形的。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，位于所述第一电极的所述近侧上的所述孔的孔半径小于位于所述第一电极的所述远侧上的所述孔的孔半径。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一电极的所述远侧上的孔半径与所述第一电极的所述近侧上的孔半径的比例为1.1～1.7。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一电极的所述远侧上的孔半径与所述第一电极的所述近侧上的孔半径的比例为1.2～1.4。

12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一电极的所述远侧上的孔半径与所述第一电极的所述近侧上的孔半径的比例为1.3。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，从所述第一电极的所述近侧到所述第一电极的所述远侧的厚度与所述第一电极的所述近侧上的孔半径的比例是0.5～1。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，从所述第一电极的所述近侧到所述第一电极的所述远侧的厚度与所述第一电极的所述近侧上的孔半径的比例是0.7。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一电极和所述第二电极之间的电位差与所述第二电极和所述第三电极之间的电位差在量级上相等但相反。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，跨越所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的电位差与最终的射束能量的比例至少为2∶1。

17.一种用于产生低能量带电粒子束的设备，包括：等离子体室，用于在所述等离子体室中产生等离子体的装置，所述等离子体包括第一极性的粒子和第二极性的带相反电荷的粒子；用于将所述第一极性的粒子限制在所述等离子体室中的装置；以及根据权利要求1至16中任一项所述的加速器，其中，所述第一电极的近面与所述等离子体接触。

说明书

用于加速离子束的设备

技术领域

[0001] 本发明涉及用于离子束加速的设备。更具体地，涉及在诸如溅射的离子束技术中使用的低射束电压离子加速的设备。另外，本发明涉及用于产生带电粒子束的设备。

背景技术

[0002] 在微电子产业中的元件以及存储介质产业中的磁性薄膜器件的生产中，离子束已经使用了多年。通常，离子束(诸如氩离子束)需要具有大面积、高电流、以及在100eV至2keV之间的能量。

[0003] 能够以多种方式来使用射束以改变基板的表面，例如，通过溅射沉积、溅射蚀刻、铣削、或表面光滑。

[0004] 在一般的离子束源(或离子枪)中，通过让气体或蒸汽进入放电室来产生等离子体，其中在放电室中，离子通过电子碰撞电离而形成并且通过随机热运动在室内移动。这可以通过使用加热式阴极的dc装置或通过使用rf天线的高频装置来实现。

[0005] 现代离子源更普遍地使用高频放电来激发，而非通过电弧来激发。使用从大约500kHz到大约60MHz范围内的射频，尽管可以更普遍地使用从大约13.56MHz到大约60MHz范围内的射频。还存在利用微波激发的装置。

[0006] 为了产生适于在靶上或基板上撞击的离子束，需要将离子加速到单一能量(monochromatic energy)和限定的轴向方向。这通常是通过使用一组被称为栅极(grid)的加速电极来实现的。

[0007] 等离子体会表现出正的等离子体电位，其高于任何与等离子体接触的表面的电位。可以使用进行了各种布置的栅极，其电位单个地被控制。在多栅极的系统中，离子碰撞到的第一个栅极通常正偏置，而碰撞到的第二个栅极负偏置。此外，其它电极可以用于准直离子束。对于离子溅射，靶放置在能够被离子束通常以斜角撞击的靶室中，以及将被材料溅射到其上的基板放置在溅射材料能够撞击到的位置。当实施溅射蚀刻、铣削、或表面光滑时，基板放置在离子束的路径上。

[0008] 因此，在一般的离子枪中，到达多孔提取栅极组件(multi-aperture extraction grid assembly)的离子首先遇到正偏置的栅极。与栅极相关的是等离子体鞘。等离子体和栅极之间的电位差穿过该鞘下降。该加速电位将鞘区域中的离子吸引到第一栅极。移动穿过该第一栅极中的孔并进入第一、正偏置栅极和第二、负偏置栅极之间的空间的每一个离子，均在强电场中被强烈加速。当离子穿过第二栅极中的孔并飞向接地的导电靶时，它穿过减速场。然后，离子以等于第一、正的栅极的电位加上鞘电位的能量到达接地靶。

[0009] 因此，传统离子枪包括带电粒子源，通过在一对栅极之间产生的外部施加电场来加速这些带电粒子。传统上，为了产生低能离子束，使用三个栅极(尽管可以使用更多个)，第一个保持在正电位，第二个保持在调节为提供最佳发散性的负电位，以及如果存在第三个，则其保持在地电位，即，其中产生射束的室的电位。

[0010] 在过去70多年的公开文献中已经很好地描述了这种特性的射束。

[0011] 在半导体中，薄膜以及材料产业的离子注入是一种公知的技术，其用于将离子嵌入到材料的晶格中，以修改材料的电特性。通常使用大于25kV的射束电压来进行离子注入，虽然它们也可以高达500kV。许多微型器件和纳米器件的制造都依赖于薄膜界面的精细特性来提高有效操作。因此产生原子级平滑表面的能力在器件和薄膜制造技术中具有重要作用。例如，层界面的质量在薄膜磁传感器以及超紫外线(EUV)和X射线镜像掩膜(mirror mask)的制造中是非常重要的。

[0012] 当离子束用于薄膜工艺而非离子注入时，射束能量通常具有2kV的上限，但对于特定的离子束溅射工艺，该值可以低至500V，而工艺的效率取决于射束能量，其中，能量增加导致效率降低和散热增加。在一些应用中，期望以诸如100V的低值或甚至低至50V来传播射束。已知高能量离子束的提取和传播比低能量离子束的提取和传播容易。这是因为以下事实：射束电流与射束能量功率的3/2倍成比例，这由Child-Langmuir公式所描述，并且射束表现出显著的发散性，射束的发散性随着射束能量的增加而降低。当高能量带电射束穿过加速器时具有较高的速度，因此与在低电压下的相对低速移动的离子相比，减小了空间电荷效应。由于通过来自多个孔的多个细射束(beamlet)的聚合(coalescence)，离子束倾向于变成宽射束，而获得大电流密度(通常提供大于1A的综合输出)的唯一方式是使用密集排列的小孔，所以空间电荷效应使得产生高密度低能量的离子束变得困难。

[0013] 为了生产诸如传感器的薄膜磁器件，工艺约束条件受衍射限制，这使得很难实现所需的离子束尺寸。随着薄膜磁器件变得更小，工艺的约束条件变得更加苛刻，因此实现具有所需大电流密度的良好质量的低能量离子束以处理薄膜是困难的。工艺的约束条件包括从基板移除材料的速率、蚀刻膜的厚度的不均匀性、以及离子束的发散角。此外，这些约束条件必须在100V至700V的射束能量范围内实现。事实上，对于非常敏感的纳米器件来说，由于担心界面处的材料复合效应(material mixing effect)，有时需要低于100V(诸如大约50V)的射束能量。在一些情况下，由于需要产生大离子束直径以处理200m和300m的基板，这些约束条件还会进一步增加。

[0014] 在诸如用于硬盘驱动器的磁传感器的小器件的制造中，器件的形状必须对称，并且器件形成于其上的基板的每个部分均相同。当以离子束蚀刻或铣削时，射束的发散性会对该特性有重大影响。

[0015] 圆形射束的射束轴对准圆形基板的中心，中心的效果是对称。对于不在中心处的位置，发散的效果是带来亮度的不对称。除非射束远大于基板，否则越接近基板的边缘，中心的亮度将越强于边缘的亮度。这导致了两种不期望的效果。首先，基板内整体的不均匀性将显示为钟形(bell shaped)的外形。其次，图案特征的形状对称性朝着边缘方向劣化。比起外边缘，内边缘会显示为更陡(steep)的外形。

[0016] 以上两种缺陷均可以通过降低射束的发散特性来克服。可以获得两个优势。首先，基板内整体的不均匀性将显示为期望的礼帽形状的外形。其次，图案特征的形状对称性将使整个基板的向内和向外的面层特征(facing feature)上的特性保持一致。

[0017] 在极低能量上的射束发散性取决于两个因素，射束发射度的影响和剩余的非中性射束空间电荷的影响。由发射度引起的最小发散性是有效离子温度除以射束能量(二者均以电子伏特来表示)的平方根。离子温度是等离子体中的真实离子温度(一般为0.3电子伏特(eV))加上由球面像差引起的乱序(disorder)所产生的有效温度的总和，球面像差又是由使用简单的非成形(unshaped)孔穴而引起的。通常后一因素的影响远远大于前一因素的影响。如以下将更加详细地讨论的，在减少像差中，离子加速器电极的具体形状是关键。

[0018] 因为器件生产需求指定了基板内的不均匀性和低射束发散性，所以使用超大射束的方法不足以满足提高射束质量并保持足够输出功率的需求。所以，需要生产小得多的离子束源，以满足现代半导体和薄膜器件的工艺需求。

[0019] 上述应用需要使用低能量离子束，即低于500伏特，因此非常需要设计能够以所期望的能量工作的离子加速器。首先，加速器必须能够以可靠的方式产生所需的离子束电流，其次，形成的离子束还必须是准直的。已知的加速器由两块或更多块薄金属板组成，每个金属板均具有圆孔阵列，使得加速器中的每个板中的孔与其它板或电极上的相应孔对准。这些孔通常是侧壁平行于孔轴的简单孔。孔之间的间距通常小于1mm。

[0020] 图1示出了一般的加速器10的理想图示，其中，示出的加速电极形成球面的一部分。从相邻加速器的第一板或射束形成电极102(下文称为射束形成电极或G1)的等离子体发生器100中提取离子。该等离子体发生器100产生由相等数量密度的带正电离子和带负电电子组成的等离子体。

[0021] 通过离子加速电场，离子被拉出等离子体100。具有负电荷的电子被相同的电场排斥。该场是由加速器中的射束形成电极102(G1)和第二电极104(下文称为提取电极或G2)之间的电位差形成的。因此G2的电位必须比G1的电位更低，以从等离子体发生器中提取带正电的离子。

[0022] 当离子到达提取电极104(G2)时，它们具有相当大的能量，该能量等于G1和G2之间的电位差加上等离子鞘给予它们的少量热能。然而，对于加速器10还存在另外的要求：防止来自等离子体的电子通过加速器10被逆向提取，所述等离子体通过加速器下游的射束(beam downstream of accelerator)自身而形成。如果发生这种情况，则会对设备造成严重损坏。通过在提取电极后布置离子减速场，能够使这种风险减到很小。这通过增加比提取电极的电位高但不高至射束形成电极的电位的第三电极(图1中未示出)来实现。相对于存在于G3与靶(未示出)之间的射束等离子体，后面的电极G3是负的，量级达到30伏特。因为射束等离子体通常非常接近地电位(但是正的)，所以G3电位通常是地电位本身，但也可以不同于地电位。

[0023] 因此，最终的射束能量是由G1和向加速器下流的射束等离子体之间的电位差来设定的。射束等离子体通常为地电位，所以G3也处于地电位。因此，G3常常被称作接地电极。因此，G1必须处于提高了的正电位，以实现必需的加速电场。

[0024] 射束聚焦主要由等离子体发生器与加速器电极102之间的界面控制。当离子从等离子体中拉出并且电子受到排斥时，形成鞘或弯月面，其位置是由电子密度的以指数因子(-0.5)的下降或在等离子体的主体中的电子密度值的60.6％来限定的。离子以等于等离子体中的电子温度的一半的值来垂直穿过弯月面，然后被加速到由加速器电位设定的能量。在弯月面之外，电子数量密度快速下降到零，并且离子沿由静电场控制的弹道(ballistic trajectory)运行，该静电场由多个电极和这些电极内的孔建立。

[0025] 在上述的三极管加速器布置中，形成了两个静电透镜，一个在G2处，一个在G3处。前者几乎不变地是发散透镜，而后者通常是会聚焦透镜。弯月面和这两个透镜形成光学系统，该光学系统的功能是提取离子束并将离子束准直到所期望的束斑尺寸(spot size)。

[0026] 离子束的电流取决于多个因素。这些因素通过Child-Langmuir公式相关联。对于半径为a的单圆孔，该公式的完整形式是：

[0027] 公式1

[0028] A是离子质量数，对于诸如氩的一般等离子气体，A是40。Rc是邻近G1的等离子体弯月面的曲率半径，Ra是提取电极G2处的离子轨道的曲率半径，V是这两个电极之间的电压，以及α是自然对数的无穷级数，其前三项是：

[0029] 公式2

[0030] 实际上，可以使用标准数学方法将公式1简化为：

[0031] 公式3

[0032] 公式3示出了在极低提取能量下工作的困难。如果限定了离子质量、射束能量、和V，则如果需要大的离子电流，就必须减小提取间隙d。然而，实验表明，只有当孔半径a一直保持为不大于间隙d的一半时，这才是可能的。同时，射束准直要求规定凹的弯月面曲率为间隙距离的四倍，从而公式3的最后一项变为0.64。因此为了使射束电流最大，传统低压加速器具有非常短的间隙和甚至更小的孔半径。

[0033] 结果，提取电极必须非常薄，以避免短间隙变得更短。在这一点上，应当注意，由于电极厚度形成有效静电间隙的一部分，所以间隙通常包括电极厚度。使用非常薄的提取电极意味着栅极在机械上相对脆弱。这是一个问题，因为它使得建立可靠的、大范围的、低压加速器变得困难。

[0034] 用于增加射束电流并保持高质量光学系统的一个方案是在G1和G2之间使用非常大的电位，随后在G2和G3之间使用几乎相等但极性相反的电位。最终的射束能量是这两个大电位之差，但从等离子体中提取的射束由大的G1-G2电位(公式3中的V)控制。这种工作模式称为“加速-减速”。

[0035] 尽管提出了加速-减速系统，但是其并没有成功地商业化，因为大电位通常会引起像差所以。大家都认为，所有的加速器都包括一些“减速”特性，并因此被认为是“加速-减速”。然而在这些布置中，比例通常仅为0.1，因此在本发明的背景下，它们并不是真正的“加速-减速”系统。这是V减速与V射束的比值，其中，V减速是第二间隙电压，表示为正数。

[0036] 公式3被简化以假设射束电极是形成完整球面的一部分的无限薄的片。然而，这在物理上是不可实现的，因此结果具有固有问题。在1940年的应用物理(Applied Physics)第11卷第548页中J.R.Pierce，J建议，电极应当是成形的(shaped)。具体地，建议使与等离子体弯月面相邻的具有有限厚度的G1电极具有特定斜角，以使加速器的剩余部分经历(see)与加速器(是完整球面)中存在的电场相同的电场。

[0037] 如果该方案能最终执行，则射束将完全不具有任何的球面像差。然而，这需要相邻孔之间具有极大间距，这是不切实际的。因此该方案也没有商业化。

发明内容

[0038] 本发明的目的在于克服与现有技术相关的问题，并提供一种用于产生具有低发散性和降低了球面像差并以足够的功率密度(文中也称为电流密度)传播的离子束的系统。

[0039] 因此，根据本发明，提供了一种用于加速离子束的设备，该设备包括：

[0040] 第一电极，具有近侧和远侧，并且具有穿过第一电极的至少一个孔，孔的壁的形状形成为使得位于第一电极的远侧上的孔的半径大于位于该电极的近侧上的孔的半径；

[0041] 第二电极，设置为使得与第一电极的远侧相邻但间隔开，并具有穿过第二电极的至少一个孔；以及

[0042] 第三电极，设置为使得与第二电极相邻但间隔开，并且具有穿过第三电极的至少一个孔，

[0043] 每个电极中的至少一个孔与其它电极中的相应的孔对准；

[0044] 其中，如此布置这些电极使得，在第一电极和第二电极之间存在电位差，并且在第二电极和第三电极之间存在电位差。

[0045] 应当理解，“第一”、“第二”、以及“第三”电极以及提及的其远侧和近侧涉及射束的传播方向。

[0046] 有利地，由于在第一电极中布置的成形孔，所以与现有技术相比，基本从加速的离子束中消除了球面像差，并且使用整个提取孔，从而可以使用较大的孔。这在给定截面区域上的统一的束斑均匀性提供了明显改进。

[0047] 虽然本发明的发明通常仅在第一电极中存在成形孔(或多个孔)，但它们也可能存在于第二电极和/或第三电极中。

[0048] 优选地，第一电极是射束形成电极，第二电极是提取电极，第三电极是接地电极。另外地或可选地，第二电极是发散静电透镜，而第三电极是聚焦静电透镜。在这种优选布置中，提供了发散静电透镜和聚焦静电透镜，这产生高度准直的射束。

[0049] 第一电极的成形孔(可以是具有斜角的形状)和电极之间的不同电位一起，意味着本发明提供了一种低发散性、减小了球面像差的离子束，其以足够的功率密度传播。另外，这种布置提供了一种更坚固的离子加速器，其不易于受等离子体源热负荷的影响。其它的优点是因为该设备不需要对球面电极进行复杂的布置，从而制造成本下降。

[0050] 可以提供任意合适形状的孔。在一种布置中，孔可以具有斜角的外形。这种斜角外形可以具有任意合适的形状，但在一种布置中，电极的至少一部分厚度可以是平的，然后以大约20°到大约60°的角度向外倾斜。大约45°的角度可能特别有用。该角度是来自于垂直于离子束轴的平面的角度。

[0051] 电极中的该孔或每个孔均可以为任意合适的形状，然而，它们通常是圆形的。

[0052] 位于第一电极的近侧上的孔的孔半径可以小于位于第一电极的远侧上的孔的孔半径。位于第一电极的近侧上的孔半径(即在孔的入口处)与位于第一电极的远侧上的孔半径(即在孔的出口处)的比值可以是大约1.2到大约1.4，更优选地，大约1.3.1.5也是合适的。

[0053] 从第一电极的邻近侧到第一电极的远侧的厚度与孔半径的比值可以是大约0.5到大约1。典型值是大约0.7。

[0054] 可以对多个电极选择合适的电位。在一种布置中，第一电极和第二电极之间的电位差以及第二电极和第三电极之间的电位差在量级上(in magnitude)可以近似相等但相反。

[0055] 在本发明的优选布置中，跨越第一电极和第二电极之间的间隙的电位差和最终的射束能量的比例至少为2:1。更优选地，是3:1，虽然2:5也是合适的。然而，可以高达100:1，约40:1的范围内的比率具有一定优势。

[0056] 最终的射束能量将由第一电极和第三电极之间的电位差来限定，以及射束电流将由第一电极和第二电极之间的电位差来限定。所需的射束能量将根据射束的使用目的而变化，因此，假设第三电极处于地电位，则第一电极的电位也将确定。然而，可以选择第二电极的电位以提供期望的射束准直。

[0057] 本发明的加速器可以使用在用于产生低能量带电粒子束的设备中，因此，根据本发明的第二方面，提供了一种用于产生低能量带电粒子束的设备，该设备包括：等离子体室，用于在等离子体室中产生等离子体的装置，等离子体包括第一极性的粒子和带相反电荷的第二极性的粒子；用于将第一极性的粒子限制在等离子体室中的装置，以及根据上述第一方面的加速器，其中，第一电极的近面(proximal face)接触等离子体。

附图说明

[0058] 下文中，将参照附图仅通过实例的方式来进一步描述本发明，在附图中：

[0059] 图1示出了球面二极管加速布置的现有技术布置；

[0060] 图2示出了根据本发明的有斜角的孔和电极布置的截面图；

[0061] 图3示出了在图2的布置中具有非成形孔的Axcel图；

[0062] 图4示出了根据图3的Axcel发射度图；

[0063] 图5示出了在600V下5mm的成形电极的Axcel图；

[0064] 图6示出了图5中的布置的Axcel发射度图；

[0065] 图7示出了在250V下5mm的成形电极的Axcel图；

[0066] 图8示出了图7中的布置的Axcel发射度图；

[0067] 图9示出了在250V下具有强加速-减速的5mm的成形电极的Axcel图；

[0068] 图10示出了图9中的布置的Axcel发射度图；

[0069] 图11示出了在250V下具有强加速-减速的8mm的成形电极的Axcel图；以及[0070] 图12示出了图11中的布置的Axcel发射度图。

具体实施方式

[0071] 如图2中所示，本发明提供了一种三极管形式的离子加速器200。三极管布置包括：第一射束形成电极202、第二提取电极204、以及已知为接地电极的第三电极206。所有电极均具有穿过其的孔，并且每个孔均是平的，并关于孔的中心具有圆对称性或旋转对称性。电极串行(in series)布置以使它们的孔基本对准。

[0072] 射束形成电极202的孔包括斜角(bevelled)或切除部203。如此布置斜角203，使得其关于射束形成电极孔的中心具有圆对称性或旋转对称性。斜角203位于相对于射束形成电极与等离子体发生源所在侧相反的一侧上。斜角具有四个临界尺寸：孔入口半径a、沉孔(counterbore)或孔出口半径s、形成斜角角度的角度θ、以及电极材料的厚度T1。角度θ定义为金属中的角度，即，相对垂直于离子束的轴的平面的角度。下面的表1中示出了临界尺寸的适合值以及典型值。

[0073] 表1-斜角尺寸

[0074]参数 适合值 典型值
θ 20°到60° 45°
s/a 1.1到1.7 1.3
T1/a 0.5到1 0.7

[0075] 在表中，第一栅极的几何形状表示为一组无量纲数。它们的第一个是角度θ，第二个是沉孔半径除以孔半径s/a，以及第三个是电极材料的厚度除以孔半径T1/a。因此，应当理解，最佳值并不依赖于孔的特定大小。

[0076] 虚线205示出了如果孔没有斜角则孔201的外边缘将位于的位置。更具体地，孔的外表面在整个孔上将与由孔的内径向直径(innerradial diameter)限定的点平齐延伸。

[0077] 由于所描述的斜角布置，加速器场形成理想化球面加速器的一部分，从而几乎消除了球面像差。其次，整个提取电极孔204用于不仅在电极的中心部分产生有用的射束，从而能够使用更大的孔。

[0078] 从加速器200提取的最终射束能量由射束形成电极202和接地电极206之间的电位差限定，射束电流由射束形成电极202和提取电极204之间的电位差限定。假设将接地电极206确定为地电位，则射束形成电极202的电位也是确定的。从而提取电极204的电位能够确定为射束准直要求的约束条件内的任意期望值。因为射束首先被强烈加速，然后被几乎强烈地减速(降速)，所以将这种类型的加速器称为加速-减速加速器。

[0079] 为了对修改的提取电极204的电位和剩余像差的严重程度进行评估，通过空间电荷和等离子体源仿真、以及电子和离子温度，可以使用离子光学码(ion optics code)。使用由ING GmbH出售的Axcel码对本发明的布置进行了试验。

[0080] 图3示出了根据现有技术的非成形加速器的离子提取图。加速器图示出了在等离子体内开始的完整模式的离子轨道，在等离子体中，空间电荷被等离子体电子中和。为此，电位增加了约30V～80

[0081] V，以达到源中的等离子体电位。该码允许加速器下游的射束是被其他的等离子体中和的空间电荷。

[0082] 作为发射度图，图4中示出了由这种非成形的加速器产生的像差的严重程度，其中，图3中的每条射线均由半径(x)和发散(x’)面中的点来表示。射束的外翼上下地形成“S”形。这些是像差并组成射束的～40％。在上述的应用中，离子束的这一部分是基本没有用处的。

[0083] 通过用有斜角的提取电极来代替现有技术的没有斜角的提取电极，并对间隙做一些必要的调整，如本领域的技术人员所理解的，用以调节电极，产生了图5和图6中示出的改进。对比图4和图6可以发现，像差的减少是十分明显的，因为几乎消除了所有的像差。此外，对于相同的间隙、电位、以及孔直径，射束电流从每孔0.47mA上升到了每孔0.7mA。后面的效果是由孔边缘处的形成主射束的一部分的射线引起，这些射线携带有它们相应分额的射束电流。

[0084] 然而，超低射束工作仍然是困难的，因为电流仍将下降至跨越电极之间的间隙的射束能量的功率的3/2。这在图7和图8中可以看出，其中使用了与图5和图6相同的几何形状，但是射束能量下降到了250V。射束电流下降到0.45mA，并且像差增加了。

[0085] 加速-减速的工作模式与有斜角的电极布置一起避免了在极低能量下的电流下降问题，并使像差保持在低水平。这在图9和图10中示出，其中示出了5mm直径的孔在250V下工作。如图9中所示，尽管很难使射束在此极低能量下保持完全没有像差，但是虽然在低能量下却存在较高的细射束电流这一额外优点。

[0086] 另外的优点在于，电极比图4中示出的具有现有技术的几何形状的电极刚硬得多，这是因为通过利用加速器在极高提取电极电位下工作的能力，使得现在的电极更厚。间隙也增加到3mm，这使得加速器更能抵抗高电压火花。

[0087] 如图11和图12所示，可以将射束形成电极202的孔直径增加到8mm。这种选择允许电极更厚和工作电位更高，因此使得特别是最脆弱的射束形成电极202非常坚固，因为射束形成电极202暴露于等离子体热负荷下，所以在大直径时易于弯曲。孔的数量较小则有利于降低制造成本。

[0088] 因此可以看出，本发明提供了一种低发散性、减少了球面像差的离子束，其以充足的功率密度传播。此外，本发明提供了一种更坚固的离子加速器，其不易于受到等离子体源热负荷的影响。