[发明专利]产生原子和分子的低杂质强离子束的共振方法

说明书

本申请要求2005年5月20日提交的美国临时序列号60/683016和2005年7月20日提交的美国专利申请序列号11/185141的优先权，本文引入它们的公开内容作为参考。 

发明领域

加速器质谱分析、同位素测定年代、高能半导体注入、低能半导体离子注入、分子束注入、团粒束电离、癸硼烷电离、同量异位粒子拒斥。 

发明背景 

要被描述的技术在科学研究的若干领域和工业中有重要应用。这些包括分子离子注入、定向中性束的产生、在磁场内产生离子束中和所需要的低能电子、在加速器质谱分析(AMS)测量过程中减弱不想要的同量异位素。下面将简要描述这类方法： 

半导体工业中的分子离子注入 

极浅结的形成需要能量在几百电子伏特和3keV之间的离子束。尽管商业生存能力要求高射束电流实现有用的生产率，但提取和传输这类低能离子束的困难相当大。基本问题是在离子束内引入和保持足够数量的空间-电荷中和电子或负离子以避免束“放大”。自第二次世界大战和曼哈顿计划起就众所周知，传统的中和方法涉及电子的产生，通过用残余气体分子冲击束粒子在离子束空间电荷阱内部电离分子来产生电子。不幸地是，这种方法在低的粒子速度下变得无效，必须使用其它技术。 

Yamada等在1993年作出了避免这个问题的重要建议，并记载在杂志 Nuclear Instruments and Methods第79卷223页中。Yamada的建议是如果有用离子的单电荷分子团粒被取代成有用原子种类的单独原子，则会大大减少低能注入的问题。Jacobson等在IEEE Conference Report“IIT2000”中描述的一种这种分子代替使用电离的分子癸硼烷(B₁₀H₁₄⁺)，其从合适的离子源提取得到，并加速到比仅仅由单独B⁺原子组成的注入离子束 所用大约十一倍的动能。例如，在500eV硼原子的注入过程中，母癸硼烷离子将被加速到5.5keV的能量；一种能允许分子离子通过现代注入机容易输送的能量。显然，与使用常规硼注入相比，使用电荷收集时的测量的注入剂量被增大10倍，造成空间电荷力被相应减小。 

为了证实这种方法对于半导体制造的有用性，若干工作者演示了用于实际设备构造的癸硼烷注入。A.Perel在IEEE Conference Report“IIT2000”的304页上报道的一个例子进行二次离子质谱分析(SIMS)测量，以确定团粒注入到硅内后硼原子的深度分布。Perel的数据表明，在常规注入的硼原子和具有相同速度的分子B₁₀H₁₄⁺注入的深度分布之间没有明显差别。 

Horsky在美国专利6452338和6686595中描述了基本没有癸硼烷分子结构离解时使用电子束用于电离癸硼烷的方法和装置。另外，Vella在美国专利6573510 B1中描述了用于能产生单电荷癸硼烷离子的双室电荷交换源的方法和装置。 

在本公开中，描述了用于产生单电荷分子癸硼烷离子的另一高效电离方法。方法使用众所周知的分子或原子离子之间的共振电荷交换现象，其中进入的主离子束被引导通过包含要被电离和加速的团粒分子或原子的区域。尽管直接应用是产生高的单电荷癸硼烷离子电流，但也能预料到涉及其它原子和分子物种的应用对于低能注入所需其它束增长的需要变得重要。 

使这种过程比Horsky和Vella的上述装置更有吸引力的特征包括：(1)使用共振过程时，更高的带电癸硼烷的电流变得可用；(2)由于相互作用的选择性共振特性，应产生较小的无用团背景。 

加速器质谱分析(AMS)