專利名稱：用于電感耦合等離子體離子源的緊湊rf天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)中使用的電感耦合等離子體離子源，并且更具體而言，涉及一種適于有效率地生成高密度等離子體的改進(jìn)的RF天線。
背景技術(shù)：
電感耦合等離子體(ICP)源在與聚焦列一起使用以形成帶電粒子(即離子或電子)的聚焦射束時(shí)具有相對(duì)于其他類型的等離子體源的優(yōu)點(diǎn)。諸如轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利N0.7241361中描述的電感耦合等離子體源的電感耦合等離子體源能夠提供窄能量范圍內(nèi)的帶電粒子，由此降低了色像差，并且允許將帶電粒子聚焦到小的斑點(diǎn)。ICP源通常包括圍繞絕緣等離子體腔同軸安裝的射頻(RF)天線。RF天線提供用以點(diǎn)火和保持等離子體腔內(nèi)的等離子體的能量。RF天線通常包括具有很多同軸匝的線圈，這些匝沿軸向相對(duì)于彼此移位，其中，RF天線的總長控制在等離子體腔內(nèi)生成的等離子體的軸向范圍。由于增加的匝數(shù)或者由于更大匝間間隔，RF天線可能更長，在這種情況下等離子體也將在等離子體腔內(nèi)更長。由于減少的匝數(shù)或者由于更小的匝間間隔，RF天線可以更短，在這種情況下，等離子體將在等離子體腔內(nèi)更短。增加的匝數(shù)可以改善激勵(lì)RF天線的RF電源和等離子體腔內(nèi)的等離子體之間的耦合效率。然而，更短的線圈可以產(chǎn)生用于離子生成的更有效率的等離子體，因?yàn)閷?duì)于給定輸入RF功率而言，假定等離子體腔內(nèi)的等離子體直徑保持恒定，那么等離子體密度可以與等離子體的軸向長度大致成反比。因而，優(yōu)選的天線構(gòu)造是在最短的可能長度內(nèi)的天線線圈中的最大匝數(shù)。顯然，這意味著較近的匝間間隔(即，RF天線中的相繼匝之間的距離)應(yīng)當(dāng)盡可能小。然而，來自RF電源的功率跨越天線線圈生成高電壓，從而在相繼匝之間感生可能超過400Vrf的電壓，并且在高RF功率上可能升至幾KVrf。RF功率的增加通常導(dǎo)致增加的等離子體密度和更高的源發(fā)射電流；然而，高RF功率將對(duì)天線的匝到匝絕緣以及對(duì)天線和處于不同電勢(shì)上的相鄰電部件之間的絕緣提出要求更高的高壓隔離(standoff)要求。如現(xiàn)有技術(shù)中討論的，可以將由具有高導(dǎo)電性的金屬構(gòu)成的法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)放置在等離子體腔和天線之間，從而使向等離子體內(nèi)的電容性RF電壓耦合最小化，該耦合能夠顯著增大源射束能擴(kuò)展。聚焦離子束系統(tǒng)要求最低的可能能量擴(kuò)展，從而降低將對(duì)實(shí)現(xiàn)精細(xì)的探頭射束造成不利的色像差。因而，最佳天線設(shè)計(jì)必須在匝間以及天線與其相鄰電部件之間提供充分的電壓隔離，例如，法拉第屏蔽。因而需要的是一種用于在聚焦離子束系統(tǒng)中使用的改進(jìn)的電感耦合等離子體離子源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)中使用的改進(jìn)的電感耦合等離子體離子源。本發(fā)明的實(shí)施例提供了更為緊湊且更有效率的RF天線，其用于對(duì)聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)中使用的電感耦合等離子體離子源中的高密度等離子體進(jìn)行點(diǎn)火和/或維持。更為緊湊的天線能夠更有效率地生成更高密度的等離子體，由此能夠以更低的RF輸入功率實(shí)現(xiàn)更高的離子發(fā)射電流。通過本發(fā)明的一些實(shí)施例的緊湊天線設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的能夠以高RF功率運(yùn)行的緊湊源將拓寬等離子體源的操作參數(shù)范圍，其允許更寬范圍的優(yōu)化運(yùn)行模式和利用多種原料氣進(jìn)行操作的能力。優(yōu)選的天線線圈是使用高密度絕緣材料進(jìn)行絕緣的，例如，聚四氟乙烯(PTFE)塑料管，其表現(xiàn)出了比現(xiàn)有技術(shù)絕緣涂層(15.7kV/mm)高得多的介電強(qiáng)度(例如55kV/mm)，由此能夠相對(duì)于匝間間隙以及天線線圈與法拉第屏蔽或等離子體腔的接近度實(shí)現(xiàn)緊湊得多的天線設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施例中，所述絕緣材料是通過使PTFE管熱收縮以貼合且緊密地卷繞天線的載流導(dǎo)體而形成的。上文已經(jīng)相當(dāng)寬泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以便詳細(xì)描述本發(fā)明，其以下內(nèi)容可以被更好的理解。在下文中將描述本發(fā)明的附加的特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以容易地利用所公開的構(gòu)思和具體實(shí)施例作為基礎(chǔ)以便修改或者設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其他結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這樣的等效構(gòu)造并不背離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。


為了更加透徹地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述做出參考，其中:
圖1示出了用于將RF天線安裝在等離子體腔周圍的第一現(xiàn)有技術(shù)方法，其采用了位于天線線圈上的沉積絕緣涂層，所述天線線圈具有大的匝間間隔，以實(shí)現(xiàn)高壓隔離。圖2示出了用于將RF天線安裝在等離子體腔周圍的第二現(xiàn)有技術(shù)方法，其采用絕緣流體來在所述天線線圈的匝之間提供高壓隔離，以及提供對(duì)線圈的冷卻。圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施例的示意性側(cè)視截面圖，其采用具有與等離子體腔的外徑隔開的匝并且具有匝間間隙的RF天線。圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施例的示意性側(cè)視截面圖，其采用與圖3中的第一實(shí)施例類似的天線結(jié)構(gòu)，但是在天線和等離子體腔之間具有法拉第屏蔽。圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施例的示意性側(cè)視截面圖，其采用具有與法拉第屏蔽接觸的匝并且沒有匝間間隙的RF天線。圖6是本發(fā)明的第四實(shí)施例的示意性側(cè)視截面圖，其采用具有與法拉第屏蔽接觸的匝并且沒有匝間間隙的RF天線，其中，所述線圈冷卻流體處于所述天線外部。圖7是由現(xiàn)有技術(shù)天線和本發(fā)明的緊湊天線生成的作為天線線圈長度的函數(shù)的磁場(chǎng)的曲線圖。圖8是圖7中的曲線圖的部分的特寫視圖，其示出了針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和針對(duì)本發(fā)明的線圈長度。圖9是作為天線線圈直徑的函數(shù)而生成的磁場(chǎng)的曲線圖。圖10是圖9中的曲線圖的部分的特寫視圖。圖11是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和針對(duì)本發(fā)明的作為輸入RF功率的函數(shù)的等離子體源發(fā)射電流的曲線圖。
附圖并非意在是按比例繪制的。在附圖中，通過同樣的附圖標(biāo)記表示各幅圖中所示出的每一個(gè)相同或幾乎相同的部件。為了清晰起見，并非在每幅圖中都標(biāo)記每一個(gè)部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于在聚焦帶電粒子束系統(tǒng)中使用的電感耦合等離子體源的緊湊射頻(RF)天線。通過阻抗匹配電路將RF電源連接至這一 RF天線，從而有效率地輸送RF功率(即，具有回到電源的最低反射RF功率)。所述RF天線優(yōu)選被放置在等離子體腔周圍并與之同軸，從而使向在等離子體腔內(nèi)生成的等離子體中的功率耦合效率最大化。本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于電感耦合等離子體帶電粒子源的RF天線。在一些實(shí)施例中，所述線圈與接地法拉第屏蔽接觸或者緊密靠近，所述法拉第屏蔽的作用在于對(duì)等離子體進(jìn)行屏蔽，防止其電容耦合至天線上的RF電壓。在其他實(shí)施例中，通過將本發(fā)明的緊湊天線線圈浸入在電介質(zhì)冷卻劑中來對(duì)其進(jìn)行冷卻。圖1示出了用于將RF天線112安裝在離子源100中的等離子體腔周圍的第一現(xiàn)有技術(shù)方法(US專利N0.6975072B2)。等離子體腔包括三個(gè)部分:上部106 (其可以包括第一永磁體)和下部108 (其可以包括第二永磁體)，二者通過包圍RF天線112的中央石英法蘭110隔開。處于上部106的頂部的供氣管102允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣104(8卩，要被電離的氣體)流入到等離子體腔的內(nèi)部中。處于下部108的底端的法蘭122能夠?qū)㈦x子源100安裝到帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線112時(shí)，將跨越天線112生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz(其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，從而在等離子體腔內(nèi)感生時(shí)變的軸向磁場(chǎng)。通過麥克斯韋方程，這一軸向磁場(chǎng)將在生成和保持等離子體150的等離子體腔內(nèi)感生方位時(shí)變電場(chǎng)。在一些情況下，天線112的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈112的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣?？梢酝ㄟ^施加至位于法蘭122下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體150提取帶電粒子(離子或電子)120。如圖7-11中所示范的，從天線112到等離子體150的RF功率耦合的最佳效率要求使天線112的直徑184最小化，同時(shí)使天線112的長度116也最小化。使天線直徑184最小化使得從等離子體150的外側(cè)到天線的距離盡可能小，而使天線長度116最小化則使得等離子體150的體積最小化，由此使對(duì)于給定RF輸入功率而言由等離子體150吸收的功率密度(W/cm3)最大化。更高的等離子體密度可以在電感耦合等離子體離子源中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的離子發(fā)射電流(參見圖11)。在圖1的右側(cè)示出了 RF天線112的一匝的詳細(xì)截面示意圖。線圈管132材料通常是銅，通過對(duì)其進(jìn)行退火以能夠?qū)崿F(xiàn)在圖1的左側(cè)所示的盤繞天線結(jié)構(gòu)112的繞組。在這一現(xiàn)有技術(shù)天線中，已經(jīng)通過涂覆過程將薄的絕緣涂層130施加到線圈管132的外表面。為了冷卻，線圈管132具有內(nèi)部圓形管狀開口 134，在等離子體離子源100的工作過程中，冷卻流體流過所述開口。由于冷卻流體處于導(dǎo)電線圈管132內(nèi)側(cè)，因而對(duì)冷卻流體不存在關(guān)于介電或絕緣屬性的要求。對(duì)冷卻流體的選擇可以包括水(去離子或非去離子)或者諸如Fluorinert 的介電碳氟化合物流體。RF天線112被示為與石英法蘭110的外徑186接觸或者緊密靠近。絕緣涂層130將通常以相對(duì)較低的介電強(qiáng)度(例如，15.7kV/mm)被表征，其主要是由于涂覆技術(shù)的限制，使得天線112的相繼匝之間的感生RF電壓差將超過匝間的電壓隔離能力，除非使匝間間隙118大到足以跨越間隙118支持匝間RF電壓差的大部分，并且沿徑向通過相鄰匝上的絕緣涂層130支持匝間RF電壓差的較小部分。在使天線112的匝與石英法蘭110的外徑186接觸的情況下，還必須通過從中心匝的接觸點(diǎn)192到較低匝的接觸點(diǎn)194的跨越石英法蘭110的外徑186的距離190支持匝間的RF電壓差防止出現(xiàn)表面徑跡(tracking)。相鄰匝之間的中心到中心間隔114等于匝間間隙118加上絕緣涂層130的外徑。天線112的總長度116 (中心到中心)為:
線圈長度116=(N -1)(匝間間隔114)[方程I]
其中，N=天線112中的匝數(shù)。通過等離子體腔內(nèi)預(yù)期的等離子體150的長度、要耦合至等離子體150的RF功率、射束120中的發(fā)射電流的目標(biāo)以及等離子體腔內(nèi)的原料氣104的壓力來確定匝數(shù)。一般而言，由于涂覆技術(shù)的限制，絕緣涂層傾向于是薄的，與相同材料的大塊固體材料相比，其具有更低的密度。更低的密度導(dǎo)致降低的介電強(qiáng)度(例如，從8.6kV/mm到
15.7kV/mm的典型范圍)，并因此導(dǎo)致更差的高壓隔離。因而，由于匝間RF電壓差隨著向天線112的更高輸入RF功率而增大，因而對(duì)匝間電壓隔離的任何限制也都將對(duì)可用于等離子體腔內(nèi)的等離子體生成的最大RF功率進(jìn)行限制，并進(jìn)而對(duì)射束120中的最大離子發(fā)射電流進(jìn)行限制。對(duì)于圖1中的現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源而言，絕緣涂層130的低介電強(qiáng)度具有另一缺點(diǎn)。圖1中所示的源配置在天線線圈112和等離子體150之間具有顯著的電容耦合量，所述等離子體150實(shí)質(zhì)上是作為等離子體腔內(nèi)的等位體出現(xiàn)的。因而，由于跨越RF天線112的高壓，等離子體150的電壓將具有在其上感生出的電容耦合的電壓，該電壓將影響由源100發(fā)射的離子120的能量。在很多等離子體離子源中，通過RF天線和等離子體腔之間的法拉第屏蔽(例如，圖2中的法拉第屏蔽298)的插入極大地降低了這一電容性電壓耦合。由于線圈112上的涂層130的低介電強(qiáng)度，不可能在RF天線112和石英法蘭110之間放置法拉第屏蔽，因?yàn)榭赡軙?huì)通過線圈管132和法拉第屏蔽之間的薄絕緣涂層130存在高壓電弧?，F(xiàn)有技術(shù)天線絕緣涂層還表現(xiàn)出了其他問題，例如，對(duì)于具有復(fù)雜形狀的繞組天線不耐磨損或者不耐切割、破裂、老化，并且柔性不夠，如在美國專利N0.4725449和N0.6124834中所討論的。圖2示出了用于將RF天線212安裝在離子源200中的等離子體腔206的周圍的第二現(xiàn)有技術(shù)方法。等離子體腔206具有處于頂部的供氣管202，其允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣204 (即要被電離的氣體)流入到等離子體腔206的內(nèi)部中。處于等離子體腔206的底端的法蘭222能夠?qū)㈦x子源200安裝至帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線212時(shí)，將跨越天線212生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz (其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，從而在等離子體腔206內(nèi)生成時(shí)變的軸向磁場(chǎng)。如圖1中那樣，通過麥克斯韋方程，這一磁場(chǎng)將在生成和保持等離子體250的源腔206內(nèi)感生方位時(shí)變電場(chǎng)。在一些情況下，天線212的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈212的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣?？梢酝ㄟ^施加至位于法蘭222下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體250提取帶電粒子(電子或離子)220。有關(guān)天線直徑284和長度216的相同考慮事項(xiàng)適用于這一第二現(xiàn)有技術(shù)電感耦合等離子體離子源一最佳效率要求天線212和等離子體250之間的最小徑向距離，并且應(yīng)當(dāng)使線圈的總長度216最小化，從而使對(duì)于給定RF輸入功率而言由等離子體250吸收的功率密度(W/cm3)最大化。更高的等離子體密度可以在電感耦合等離子體離子源中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的離子發(fā)射電流(參見圖11)。圖2中的RF天線212使用實(shí)心天線導(dǎo)線(通常為銅)的無絕緣匝。將天線212浸入介電絕緣流體260內(nèi)，介電絕緣流體260將在天線212中的相繼匝之間提供完全的高壓隔離。這里要注意，與圖1中的情況不同，冷卻流體260的絕緣屬性對(duì)于防止天線線圈212的相鄰匝之間的高壓擊穿或者天線線圈212的匝和(接地)法拉第屏蔽298之間的擊穿是至關(guān)重要的。冷卻流體260在驅(qū)動(dòng)天線212的射頻下電透明(即，最低限度地吸收)也是重要的。天線212的相鄰匝之間的中心到中心間隔214等于匝到匝的間隙218加上天線導(dǎo)線的直徑。天線212的總長度216 (中心到中心)為:
線圈長度216 = (N -1 )(匝間間隔214)[方程2]
其中N=天線212中的匝數(shù)。在圖2中，法拉第屏蔽298與等離子體腔206的外徑288由小間隙262隔開。法拉第屏蔽298的外徑286與RF天線212中的匝的內(nèi)表面由小間隙296隔開，這一小間隙可以確定天線212的任何部分與法拉第屏蔽298之間的最大電壓隔離，所述法拉第屏蔽298通常將是偏置在接地電勢(shì)處的電導(dǎo)體。本發(fā)明的第一實(shí)施例
圖3是采用RF天線312的本發(fā)明的第一實(shí)施例300的示意性側(cè)視截面圖，所述天線具有的匝與等離子體腔306的外徑386間隔距離308，并且具有的匝間間隙318比圖1中的現(xiàn)有技術(shù)電感耦合等離子體離子源中的那些匝間間隙小得多(通常小于絕緣層330的外徑的一半)。處于等離子體腔306的頂部的供氣管302允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣304 (BP,要電離的氣體)流入到等離子體腔306的內(nèi)部中。處于等離子體腔306的底端的法蘭322能夠?qū)㈦x子源300安裝至帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線312時(shí)(通常通過阻抗匹配電路，未示出)，跨越天線312生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz (其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，其在等離子體腔內(nèi)生成時(shí)變的軸向磁場(chǎng)。通過麥克斯韋方程，這一磁場(chǎng)在生成和保持等離子體350的源腔內(nèi)感生方位時(shí)變電場(chǎng)。在一些情況下,天線線圈312的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈312的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣?？梢酝ㄟ^施加至位于法蘭322下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體350提取帶電粒子(離子或電子)320。與針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)相同的針對(duì)天線直徑384和長度316的考慮事項(xiàng)適用于本發(fā)明的這一第一實(shí)施例——最佳效率要求天線312和等離子體350之間具有最低徑向距離，并且應(yīng)當(dāng)使線圈的總長度316最小化，從而使針對(duì)給定RF功率而言由等離子體350吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潛在地在帶電粒子束320中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)射電流(參見圖11)。在使發(fā)射電流最大化方面的另一項(xiàng)考慮事項(xiàng)是等離子體350的總體積一通常，超過大約2cm3的等離子體體積將在離子束產(chǎn)生方面是效率較低的，因?yàn)榈入x子體350中只有一小部分(通常為 15 μ m3)對(duì)離子束320中的電流有貢獻(xiàn)。在圖3的右側(cè)示出了 RF天線312的一匝的詳細(xì)截面示意圖。線圈管334材料通常是無氧高導(dǎo)電性(OFHC)銅(具有從2到IOmm的典型的直徑范圍，并且優(yōu)選是從3到6mm的范圍)，對(duì)所述銅進(jìn)行退火，從而能夠在實(shí)現(xiàn)圖3的左側(cè)所示的盤繞天線結(jié)構(gòu)312的繞組。線圈管334的外表面可以具有導(dǎo)電層332 (例如，銀和金)，其被施加以降低RF頻率下的線圈電阻。作為示例，作為頻率的函數(shù)的趨膚深度(skin depth) δ為:
δ (f) = L f_°_5 (δ和L的單位為μ m，且f的的單位為MHz)[方程3]
其中，對(duì)于普通的線圈材料L具有下述值:L = 80ym (Al), 65 μ m (Cu)，79 μ m (Au)，64ym(Ag)。因而，例如，在40ΜΗζ下，針對(duì)銀層332的趨膚深度將大約為10.1 μ m，因而如果層332的厚度至少為20到100 μ m (SP，是趨膚深度δ的2到10倍)，那么天線線圈312中的幾乎全部電流都將在層332中流動(dòng)，而不是在線圈管334中流動(dòng)。層332的厚度可以從20到100 μ m的范圍變動(dòng)，并且優(yōu)選從25到50 μ m的范圍變動(dòng)。如果不使用導(dǎo)電層332，那么使通常由PTFE塑料制造的厚的高密度絕緣管330已經(jīng)熱收縮到導(dǎo)電層332的外表面上，或者熱收縮到線圈管334的外表面上。高介電強(qiáng)度絕緣管330的典型壁厚度范圍為250 μ m到1250 μ m。絕緣管330的優(yōu)選壁厚度范圍是380μπι到750 μ m。絕緣管330的外徑將由線圈管334的直徑加上導(dǎo)電層332的厚度的二倍再加上絕緣層330的厚度的二倍所確定——給出從2.54mm[=2mm+2 (20 μ m) +2 (250 μ m)]到12.7mm[=10mm+2(100ym)+2(1250ym)]的典型范圍，并且更優(yōu)選的是從3.8 Imm [=3mm+2 (25 μ m) +2 (380 μ m)]到 7.6mm[=6_+2 (50 μ m)+2 (750 μ m)]的范圍。為了冷卻，使線圈管334具有圓形管狀內(nèi)開口 336 (通常具有從I到6mm的直徑，優(yōu)選具有從1.5到3mm的直徑)，在等離子體離子源300的工作過程中，冷卻流體將流過所述開口。由于冷卻流體處于導(dǎo)電線圈管334內(nèi)側(cè)，因而對(duì)冷卻流體不存在關(guān)于介電或絕緣屬性或者RF透明度的要求。對(duì)冷卻流體的選擇可以包括水(去離子或非去離子)，或者諸如Fluorinert 的介電碳氟化合物流體，或者變壓器油。RF天線312被示為以間隙308緊密靠近等離子體腔306的外徑386。絕緣管330將通常以相對(duì)較高的介電強(qiáng)度被表征，因而即使當(dāng)匝間間隙318比絕緣管330的壁厚度小得多時(shí)，天線312的匝之間的感生RF電壓差也將不超過匝間的電壓隔離能力。如本文中所使用的用語“相對(duì)較高的介電強(qiáng)度”將被用于描述具有的介電強(qiáng)度大約是上文描述的現(xiàn)有技術(shù)絕緣涂層的二倍的絕緣管。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的以相對(duì)較高的介電強(qiáng)度被表征的絕緣管將具有大于25kV/mm的介電強(qiáng)度；更優(yōu)選具有大于30kV/mm的介電強(qiáng)度；以及甚至更優(yōu)選具有從31.5kV/mm到55kV/mm的范圍變動(dòng)的介電強(qiáng)度。線圈312中的相鄰匝之間的中心到中心間隔314等于匝間間隙318加上絕緣管330的外徑。天線312的總長度316 (中心到中心)為:
線圈長度316 = (N -1 )(匝間間隔314)[方程4]
其中N=天線312中的匝數(shù)。通常，N可以從2到10的范圍變動(dòng)，其中更優(yōu)選從3到5的范圍變動(dòng)。圖3中的緊湊天線312與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源100的比較表明了與現(xiàn)有技術(shù)的低介電強(qiáng)度絕緣涂層130相比，具有更高的介電強(qiáng)度的絕緣管330的優(yōu)點(diǎn)。由于匝間間隙318能夠按比例地比現(xiàn)有技術(shù)天線112的匝間間隙118小得多，因而已經(jīng)充分降低了總的線圈長度316。由于能夠跨越絕緣管330的壁的厚度承受天線312內(nèi)的大部分匝間電壓差，并且僅有一小部分電壓降需要跨越間隙318出現(xiàn)，因而使在間隙距離318上的這種降低是可能的。這與必須跨越間隙118承受大部分匝間電壓差的現(xiàn)有技術(shù)情況形成了對(duì)比。本發(fā)明的第二實(shí)施例 圖4是采用RF天線412的本發(fā)明的第二實(shí)施例400的示意性側(cè)視截面圖，所述RF天線412具有的匝與法拉第屏蔽470的外徑488隔開距離408，并且具有的匝間間隙418可以比圖1中的現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源100中的匝間間隙118小得多。處于等離子體腔406的頂部的供氣管402允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣404 (即，要電離的氣體)流入到等離子體腔406的內(nèi)部中。處于等離子體腔406的底端的法蘭422能夠?qū)㈦x子源400安裝至帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線412時(shí)(通常通過阻抗匹配電路，未示出)，跨越天線412生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz (其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，其在等離子體腔內(nèi)生成時(shí)變的軸向磁場(chǎng)，如針對(duì)第一實(shí)施例那樣。在一些情況下，天線線圈412的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈412的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣?？梢酝ㄟ^施加至位于法蘭422下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體450提取帶電粒子(離子或電子)420。與針對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施例相同的針對(duì)天線直徑484和長度416的考慮事項(xiàng)在這里適用——最佳效率要求天線412和等離子體450之間具有最低徑向距離，并且應(yīng)當(dāng)使線圈的總長度416最小化，從而使針對(duì)給定RF功率而言由等離子體450吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潛在地能夠在帶電粒子束420中實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)射電流(參見圖11)。與針對(duì)第一實(shí)施例相同的針對(duì)最大預(yù)期等離子體體積的考慮事項(xiàng)適用。RF天線412的一匝的截面細(xì)節(jié)與在圖3的右側(cè)針對(duì)第一實(shí)施例所示的內(nèi)容相同。與針對(duì)第一實(shí)施例相同的針對(duì)冷卻流體的選擇、針對(duì)線圈管334的直徑、針對(duì)導(dǎo)電層332的厚度以及針對(duì)絕緣層330的厚度和外徑的考慮事項(xiàng)在這里適用。線圈412中的相鄰匝之間的中心到中心間隔414等于匝間間隙418加上絕緣管330的外徑。天線412的總長度416為:
線圈長度416 = (N -1)(匝間間隔414)[方程5]
其中N=天線412中的匝數(shù)。通常，N可以從2到10的范圍變動(dòng)，其中更優(yōu)選從3到5的范圍變動(dòng)。圖4中的第二實(shí)施例和圖3中的第一實(shí)施例之間的關(guān)鍵差異在于增加了法拉第屏蔽470，其處于等離子體腔406的外徑486的附近或者與之接觸。如針對(duì)圖2所討論的，法拉第屏蔽470使等離子體450與天線412上的RF電壓電屏蔽，從而防止RF線圈電壓電容耦合到由等離子體離子源400發(fā)射的離子420的能量中。高介電強(qiáng)度絕緣管330的額外優(yōu)點(diǎn)是，能夠主要跨越絕緣管330的壁厚度，而不是由間隙408，來支持線圈導(dǎo)體334和導(dǎo)體層332 二者與法拉第屏蔽470之間的電壓差，因而能夠使間隙408更小，甚至被完全消除，由此提高了從天線412到等離子體450的RF功率耦合效率。與針對(duì)圖3中的天線312相同的針對(duì)緊湊型天線412的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在這里適用——由于能夠使匝間間隙418按比例地比現(xiàn)有技術(shù)天線112的匝間間隙118小得多，因而充分降低了總線圈長度416。由于能夠跨越絕緣管330的壁厚度承受天線412內(nèi)的大部分匝間電壓差，并且僅有一小部分電壓降需要跨越間隙418出現(xiàn)，因而使間隙418的尺寸上的這種降低是可能的。這與必須通過間隙118承受大部分匝間電壓差的現(xiàn)有技術(shù)情況形成了對(duì)比。本發(fā)明的第三實(shí)施例
圖5是采用RF天線512的本發(fā)明的第三實(shí)施例500的示意性側(cè)視截面圖，所述天線512具有的匝與法拉第屏蔽570接觸，并且沒有匝間間隙。處于等離子體腔506的頂部的供氣管502允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣504 (即，要電離的氣體)流入到等離子體腔506的內(nèi)部中。處于等離子體腔506的底端的法蘭522能夠?qū)㈦x子源500安裝至帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線512時(shí)(通常通過阻抗匹配電路，未示出)，跨越天線512生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz(其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，其在等離子體腔內(nèi)生成時(shí)變的軸向磁場(chǎng)，如分別針對(duì)圖3和圖4中的第一實(shí)施例300和第二實(shí)施例400那樣。在一些情況下，天線線圈512的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈512的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣。可以通過施加至位于法蘭522下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體550提取帶電粒子(離子或電子)520。與針對(duì)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例相同的針對(duì)天線直徑584和長度516的考慮事項(xiàng)在這里適用一最佳效率要求天線512和等離子體550之間具有最低徑向距離，并且應(yīng)當(dāng)使線圈的總長度516最小化，從而使針對(duì)給定RF功率而言由等離子體550吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潛在地能夠在帶電粒子束520中實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)射電流(參見圖11)。與針對(duì)第一和第二實(shí)施例相同的針對(duì)最大預(yù)期等離子體體積的考慮事項(xiàng)適用。RF天線512的一匝的截面細(xì)節(jié)與在圖3的右側(cè)針對(duì)第一實(shí)施例所示的內(nèi)容相同。與針對(duì)第一和第二實(shí)施例相同的針對(duì)冷卻流體的選擇、針對(duì)線圈管334的直徑、針對(duì)導(dǎo)電層332的厚度以及針對(duì)絕緣層330的厚度和外徑的考慮事項(xiàng)在這里適用。線圈512中的相鄰匝之間的中心到中心間隔514等于絕緣管330的外徑，因?yàn)樘炀€線圈512的相繼匝在接觸點(diǎn)518處發(fā)生接觸(S卩，在相繼匝之間不存在間隙)。因?yàn)橛捎诮^緣管330的高介電強(qiáng)度而能夠跨越絕緣管330的壁厚度承受天線512內(nèi)的全部匝間電壓差，因而有可能在線圈512中的相繼匝之間不存在間隙。天線512的總長度516為:
線圈長度516 = (N -1 )(匝間間隔514)[方程6]
其中，N=天線512中的匝數(shù)。通常，N可以從2到10的范圍變動(dòng)，其中更優(yōu)選從3到5的范圍變動(dòng)。法拉第屏蔽570與等離子體腔506的外徑586接觸。高介電強(qiáng)度絕緣管330的額外優(yōu)點(diǎn)是，能夠跨越絕緣管330的壁厚度完全支持線圈導(dǎo)體334和(通常接地的)法拉第屏蔽570之間的電壓差，因而天線512可以在接觸點(diǎn)508處與法拉第屏蔽570接觸。本發(fā)明的第四實(shí)施例
圖6是采用RF天線612的本發(fā)明的第四實(shí)施例600的示意性側(cè)視截面圖，所述天線612具有的匝與法拉第屏蔽670接觸，并且沒有匝間間隙，其中，線圈冷卻流體660處于天線612的外部。處于等離子體腔606的頂部的供氣管602允許具有調(diào)節(jié)流量的原料氣604(即，要電離的氣體)流入到等離子體腔606的內(nèi)部中。處于等離子體腔606的底端的法蘭622能夠?qū)㈦x子源600安裝至帶電粒子束系統(tǒng)(未示出)。在將來自RF電源(未示出)的功率連接至天線612時(shí)，跨越天線612生成處于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)藥(ISM)無線電波段內(nèi)的典型的NX 13.56MHz (其中，N為整數(shù)=1，2或3)的頻率下的RF高壓，其在等離子體腔內(nèi)生成時(shí)變的軸向磁場(chǎng)，如分別針對(duì)圖3、圖4和圖5中的第一、第二和第三實(shí)施例那樣。在一些情況下，天線612的相繼匝之間的電壓差可能超過400Vrf，其使得在天線線圈612的相鄰匝之間必須具有某種形式的高壓絕緣。可以通過施加至位于法蘭622下面的提取器電極(未示出)的電壓從等離子體650提取帶電粒子(離子或電子)620。與針對(duì)本發(fā)明前三個(gè)實(shí)施例相同的針對(duì)天線直徑684和長度616的考慮事項(xiàng)在這里適用一最佳效率要求天線612和等離子體650之間具有最低徑向距離，并且應(yīng)當(dāng)使線圈的總長度616最小化，從而使針對(duì)給定RF功率而言由等離子體650吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潛在地能夠在帶電粒子束620中實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)射電流(參見圖11)。與針對(duì)第一、第二和第三實(shí)施例相同的針對(duì)最大預(yù)期等離子體體積的考慮事項(xiàng)適用。在圖6的右側(cè)示出了 RF天線612的一匝的詳細(xì)截面示意圖。線圈導(dǎo)線634材料通常是無氧高導(dǎo)電性(OFHC)銅(具有從2到IOmm的范圍的典型直徑，并且優(yōu)選從3到6mm的范圍)，對(duì)所述銅進(jìn)行退火，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在圖6的左側(cè)所示的盤繞天線結(jié)構(gòu)612的繞組。線圈導(dǎo)線634的外表面可以具有導(dǎo)電層632(例如，銀和金)，其被施加以降低RF頻率下的線圈電阻。與針對(duì)圖3中的第一實(shí)施例相同的趨膚深度的考慮事項(xiàng)在這里適用，因而在40MHz的RF頻率下，如果導(dǎo)電層632為銀，那么趨膚深度將大約為10.1 μ m,因而如果導(dǎo)電層632的厚度至少為30到40μπι (即，是趨膚深度δ的幾倍，參見方程3)，那么天線線圈612中的所有電流都將在導(dǎo)電層632中流動(dòng)，而不在線圈導(dǎo)線634中流動(dòng)。層632的厚度可以從20到100 μ m的范圍變動(dòng)，并且優(yōu)選從25到50 μ m的范圍變動(dòng)。如果不使用導(dǎo)電層632，那么使通常由PTFE塑料制造的厚的高密度絕緣管630已經(jīng)熱收縮到導(dǎo)電層632的外表面上，或者熱收縮到線圈導(dǎo)線634的外表面上。高介電強(qiáng)度絕緣管630的典型壁厚度范圍為250 μ m到1250 μ m。絕緣管630的優(yōu)選壁厚度范圍是380 μ m到750 μ m。絕緣管630的外徑將由線圈導(dǎo)線634的直徑加上導(dǎo)電層632的厚度的二倍再加上絕緣層630的厚度的二倍所確定——給出了從2.54mm[=2mm+2 (20 μ m) +2 (250 μ m)]到12.7mm[=10mm+2(100ym)+2(1250ym)]的典型范圍，更優(yōu)選的是從
3.8 Imm [=3mm+2 (25 μ m) +2 (380 μ m)]到 7.6mm[=6_+2 (50 μ m)+2 (750 μ m)]的范圍。這里要注意，與圖2中的現(xiàn)有技術(shù)的情況不同，不要求冷卻液流體660隔離天線線圈612的相鄰匝之間的全部電壓差，因?yàn)樘炀€線圈612內(nèi)的匝間電壓差的大部分(或全部)都是由絕緣管630的壁厚度所隔離的。天線線圈612的匝和(接地的)法拉第屏蔽670之間的電壓差也是這種情況。冷卻流體660在驅(qū)動(dòng)天線612的射頻下電透明(即，最低限度地吸收)以避免損耗到冷卻流體660中的過量RF功率也是重要的。天線612的相鄰匝之間的中心到中心間隔614等于絕緣層630的外徑，即，相繼匝上的絕緣層相互接觸。天線612的總長度616 (中心到中心)為:
線圈長度616 = (N -1)(匝間間隔614)[方程7]
其中N=天線612中的匝數(shù)。法拉第屏蔽670被放置在等離子體腔606的外徑686附近或者與之接觸。法拉第屏蔽670使等離子體650與天線612上的RF電壓電屏蔽，由此防止使線圈電壓電容耦合到由等離子體離子源600發(fā)射的離子620的能量中。與針對(duì)圖5中的天線512相同的針對(duì)緊湊型天線612的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在這里適用——由于不需要匝間間隙，因而使總的線圈長度516最小化。等離子體離子源性能計(jì)算
圖7是作為歸一化天線線圈長度702的函數(shù)的磁場(chǎng)幅度704的曲線圖700。長度歸一化是以40mm為單位的，因而L=0.225的歸一化長度對(duì)應(yīng)于0.225X40mm=9mm的實(shí)際長度。在圖8中更加詳細(xì)地示出了這一曲線圖的部分720。曲線706對(duì)應(yīng)于分別在圖1-6中的線圈112、212、312、412、512或612的軸上的軸向磁場(chǎng)。曲線708對(duì)應(yīng)于接近分別在圖1_6中的等離子體150、250、350、450、550、650的外緣的軸向磁場(chǎng)。離軸磁場(chǎng)強(qiáng)度708比軸上場(chǎng)強(qiáng)706高，對(duì)于任何有限長度線圈總是這種情況。而且，對(duì)于恒定輸入RF功率而言，線圈越短，軸上和離軸磁場(chǎng)強(qiáng)度就越高，對(duì)于零長度線圈(g卩，具有單匝的線圈)其將達(dá)到最大值。根據(jù)先前對(duì)等離子體中的功率密度(W/cm3)的討論，這一特性是合理的——顯然，通過作為線圈長度的零長度極限將由單匝線圈生成最小的等離子體體積。因而，軸上B場(chǎng)強(qiáng)度706曲線在零長度處為最高712。類似地，離軸B場(chǎng)強(qiáng)度708在零長度處為最高710。保持天線直徑固定在2.00的歸一化值處，其中，所述直徑歸一化是以20_為單位的，因而曲線圖的最右側(cè)(長度=2X40mm=80mm)表示歸一化長度是歸一化直徑(直徑=2 X 20mm=40mm)的二倍的線圈。圖8是圖7中的曲線圖的部分720的特寫視圖800，其示出了針對(duì)典型的現(xiàn)有技術(shù)天線和針對(duì)體現(xiàn)本發(fā)明的典型緊湊天線的線圈長度。歸一化天線線圈長度802從0.2到
0.8的范圍(8到32mm)變動(dòng)。曲線806是圖7中的曲線706的一部分，并且曲線808是圖7中的曲線708的一部分。對(duì)于本發(fā)明的一些實(shí)施例而言，長度區(qū)域810的范圍在歸一化線圈長度0.20-0.23 (8到9.2mm)上變動(dòng)，由于圖3_5中的絕緣層330的高介電強(qiáng)度和圖6中的絕緣層630，所述范圍對(duì)于本發(fā)明的一些實(shí)施例而言是有可能的。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的長度區(qū)域814的范圍在歸一化線圈長度>0.60 (24mm)上變動(dòng)，由于絕緣涂層(例如，圖1中的涂層130)的低介電強(qiáng)度，現(xiàn)有技術(shù)通常局限于所述范圍。圖9是作為歸一化天線線圈直徑902的函數(shù)的磁場(chǎng)幅度904的曲線圖900。所述直徑歸一化以20mm為單位，因而Da=2.0的歸一化直徑對(duì)應(yīng)于2.0 X 20mm=40mm的實(shí)際直徑。在圖10中更加詳細(xì)地示出了這一曲線圖的部分920。曲線906對(duì)應(yīng)于分別在圖1-6中的線圈112、212、312、412、512或612的軸上的計(jì)算出的軸向磁場(chǎng)，其中，保持所述歸一化線圈長度固定在L=0.34 (=13.6mm，參見圖7和圖8)的值處。如預(yù)期的一樣，隨著線圈直徑902降低，B場(chǎng)從右到左得以單調(diào)增強(qiáng)。再者，與現(xiàn)有技術(shù)絕緣涂層(例如圖1中的涂層130)相t匕，高介電強(qiáng)度的熱收縮絕緣管(例如，圖3-5中的管330或者圖6中的絕緣管630)的益處就減少線圈直徑并且因而提高軸向磁場(chǎng)的能力而言是明顯的，。圖10是圖9中的曲線圖的部分920的特寫視圖1000，其示出了從1.5到2.7(=30到54_)的范圍變動(dòng)的歸一化線圈直徑1002，所述范圍包括典型的現(xiàn)有技術(shù)天線的線圈直徑和本發(fā)明的典型實(shí)施例的線圈直徑。曲線1006是圖9中的曲線906的一部分。由于需要保持更大的線圈直徑以實(shí)現(xiàn)必要的電壓隔離，因而現(xiàn)有技術(shù)通常局限于大于2.65 (=53mm)的歸一化線圈直徑1010。本發(fā)明的實(shí)施例利用至少降至2.0 (=40mm)的線圈直徑，因?yàn)樵诶媒^緣涂層330 (圖3-5)或630 (圖6)的高壓隔離能力的情況下匝間間隙是不必要的。圖11是針對(duì)典型的現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源(曲線1106和1108)以及針對(duì)體現(xiàn)本發(fā)明的等離子體源1110的作為輸入RF功率(以W為單位)的函數(shù)的等離子體源發(fā)射電流(以μΑ為單位)的曲線圖1100。典型的現(xiàn)有技術(shù)曲線1106對(duì)應(yīng)于0.425 (=17mm)的歸一化線圈長度以及2.65 (=53_)的歸一化線圈直徑一這是相對(duì)纏繞較松的線圈。典型的現(xiàn)有技術(shù)曲線1108對(duì)應(yīng)于具有0.225 (=45mm)的歸一化線圈長度的纏繞較緊的線圈，但是其仍然具有2.65 (=53mm)的較大歸一化線圈直徑。本發(fā)明的一些實(shí)施例的曲線1110對(duì)應(yīng)于0.225 (=9mm)的歸一化線圈長度和2.0 (=40mm)的歸一化線圈直徑——該線圈是外徑與等離子體的外緣接近得多的纏繞更緊的線圈，給出了更好的RF功率耦合。由于在典型的現(xiàn)有技術(shù)電感耦合等離子體離子源中效率較低的RF功率耦合，針對(duì)給定輸入RF功率生成的發(fā)射電流1104比本發(fā)明的等離子體離子源的情況要低得多。此夕卜，本發(fā)明的一些實(shí)施例能夠在低至50W的低得多的輸入RF功率下進(jìn)行操作，而典型的現(xiàn)有技術(shù)源僅能低至300W而起作用。出現(xiàn)在這一差異的原因在于，本發(fā)明的一些實(shí)施例能夠在50W的RF輸入功率下生成與典型的現(xiàn)有技術(shù)源使用大約300W的RF輸入功率生成的相同離子發(fā)射電流，如曲線圖1100上所示。其原因在于，本發(fā)明的一些實(shí)施例具有更高的RF功率耦合效率。在300W的輸入功率下，有250W之多未產(chǎn)生等離子體，與本發(fā)明的50W相比，在現(xiàn)有技術(shù)的300W下給出了離子發(fā)射電流之間的等效性。本發(fā)明的一些實(shí)施例也能夠在比典型的現(xiàn)有技術(shù)更高的RF輸入功率下操作，因?yàn)榇嬖谌ネ鶎?duì)源結(jié)構(gòu)加熱而不是生成有用的等離子體的較少的“浪費(fèi)” RF輸入功率。因而，對(duì)于本發(fā)明的一些實(shí)施例在800W的輸入RF功率下，進(jìn)入所述源的加熱功率比在600和700W之間的功率下操作的典型的現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源的功率更低。在本發(fā)明中，向等離子體的更有效率的RF功率耦合的其他優(yōu)點(diǎn)包括更容易的等離子體點(diǎn)火，在困難的狀況下(例如，原料氣壓力低或者原料氣難以電離)保持等離子體能力，以及更有效地使用輸入RF功率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)等離子體離子源將可能采用的功率更低功率的RF電源(以更低的成本)。本發(fā)明的高效率緊湊天線的另一優(yōu)點(diǎn)是，通過更有效使用輸入RF功率實(shí)現(xiàn)了在線圈熱量排除要求上的顯著降低。與薄絕緣涂層130相比，厚絕緣管330的優(yōu)點(diǎn)在于具有優(yōu)良的耐切割和磨損性——這一點(diǎn)能夠增強(qiáng)等離子體源的壽命，因?yàn)榫€圈絕緣中的單處斷裂能夠致使等離子體離子源由于高壓擊穿而無法工作。采用這種強(qiáng)韌且非常柔性的天線設(shè)計(jì)，可以制作出比圖3-6中所示的螺旋形繞組更加復(fù)雜的RF天線，以解決更有挑戰(zhàn)的源性能要求。厚絕緣管330相對(duì)于絕緣涂層130的高壓隔離優(yōu)勢(shì)歸因于三個(gè)因素:1)更大的厚度，2)更高的密度，以及3)更低的孔隙度。所有的這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)都是熱收縮絕緣管的屬性中所固有的，并且因而其也代表了本發(fā)明相對(duì)于采用絕緣涂層的現(xiàn)有技術(shù)的固有優(yōu)點(diǎn)。絕緣PTFE熱收縮管的示例高壓強(qiáng)度超過了 1400V/mil=55/Mm，而絕緣PTFE涂層由于其涂覆膜具有低密度而可以具有處于400V/mil=15.8V/Mm或更小的范圍內(nèi)的高壓強(qiáng)度。此外，要想沉積厚度與商業(yè)可得的PTFE熱收縮管的壁厚相當(dāng)?shù)腜TFE涂層是困難的。圖3-6中所示的電感耦合等離子體離子源的細(xì)節(jié)僅出于示范性的目的——在本發(fā)明的范圍內(nèi)，很多其他的源設(shè)計(jì)是可能的。例如，RF天線可以具有少于或多于三個(gè)匝，或者可以將所述天線纏繞成不同的(非螺旋)形狀。所述法拉第屏蔽可以具有除圓柱形以外的形狀，例如，具有從圓柱形中央部分的頂端和/或底端向外延伸的法蘭。等離子體腔的形狀可以不同于這里所示的“頂帽”配置。盡管已經(jīng)在熱收縮聚四氟乙烯(PTFE或Teflon )方面描述了絕緣管330和630，但是也可以將其他高介電強(qiáng)度材料用于絕緣管330和630。本發(fā)明的優(yōu)選方法或設(shè)備具有很多新穎的方面，并且由于本發(fā)明能夠體現(xiàn)在用于不同目的的不同方法和設(shè)備中，因而在每一實(shí)施例中不需要呈現(xiàn)出每一個(gè)方面或益處。此夕卜，所描述的實(shí)施例的很多方面可單獨(dú)取得專利或者被授予專利。盡管上文對(duì)本發(fā)明的描述主要針對(duì)設(shè)備，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到使用本文中描述的新穎設(shè)備的方法也將處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，能夠通過計(jì)算機(jī)硬件或軟件或二者的組合實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。能夠根據(jù)本說明書中描述的方法和附圖使用標(biāo)準(zhǔn)的編程設(shè)計(jì)技術(shù)完成所述實(shí)現(xiàn)方式，標(biāo)準(zhǔn)編程技術(shù)包括使用利用計(jì)算機(jī)程序配置的非暫態(tài)有形計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其中，如此配置的存儲(chǔ)介質(zhì)使計(jì)算機(jī)按照具體且預(yù)定方式進(jìn)行操作?？梢园凑崭呒?jí)別過程編程語言或者面向?qū)ο蟮木幊陶Z言來實(shí)現(xiàn)每個(gè)程序以與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信。然而，如果期望的話，可以按照匯編或機(jī)器語言實(shí)現(xiàn)所述程序。在任何情況下，所述語言都可以是經(jīng)過編譯或解譯的語言。此外，所述程序能夠在出于該目的而受到編程的專用集成電路上運(yùn)行。此外，本文中描述的設(shè)備可以利用任何類型的計(jì)算平臺(tái)，包括但不限于個(gè)人計(jì)算機(jī)、迷你計(jì)算機(jī)、主機(jī)、工作站、聯(lián)網(wǎng)或分布式計(jì)算環(huán)境、與帶電粒子工具或其他成象裝置分離、成一體或者通信的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，等等。可以按照存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)或裝置上的機(jī)器可讀代碼實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的多個(gè)方面，所述存儲(chǔ)介質(zhì)或裝置是可移除的或者是與計(jì)算平臺(tái)成一體的，例如，其為硬盤、光讀取和/或?qū)懭氪鎯?chǔ)介質(zhì)、RAM、ROM，等等，使得其是可被可編程計(jì)算機(jī)所讀取的，用于在由計(jì)算機(jī)讀取所述存儲(chǔ)介質(zhì)或裝置時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置和操作，以執(zhí)行本文中描述的過程。此外，可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)器可讀代碼或其部分。當(dāng)這樣的介質(zhì)包含用于連同微處理器或其他數(shù)據(jù)處理器一起實(shí)現(xiàn)上文描述的步驟的指令或程序時(shí)，本文中描述的本發(fā)明包括這些和其他各種類型的非暫態(tài)有形計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。當(dāng)根據(jù)本文中描述的方法和技術(shù)而被編程時(shí)，本發(fā)明還包括計(jì)算機(jī)本身。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的一個(gè)方面，一種用于聚焦帶電粒子束系統(tǒng)的電感耦合等離子體離子源，包括:
等離子體腔；
供氣管，用于將原料氣引入到所述等離子體腔中；
射頻天線，放置在所述等離子體腔周圍，包括:
導(dǎo)電材料的線圈；以及
絕緣管，圍繞所述導(dǎo)電材料的線圈的外表面并與之接觸，其中，所述絕緣管具有高介電強(qiáng)度；以及
射頻電源，其電連接至所述射頻天線，并且被配置為向所述天線供電。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料是導(dǎo)電管。 在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料是導(dǎo)線。所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例還包括處于所述導(dǎo)電材料的外表面和所述絕緣管的內(nèi)表面之間的導(dǎo)電層，其中，所述導(dǎo)電層的厚度處于20和100 μ m之間。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電層的厚度處于25和50 μ m之間。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電層包括銀或金。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述絕緣管包括聚四氟乙烯。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，使所述絕緣管熱收縮到所述導(dǎo)電材料的線圈的外表面上。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述絕緣管具有250μπι到1250 μ m之間的壁厚度。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述絕緣管具有380μπι到750 μ m之間的壁厚度。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料包括無氧高導(dǎo)電性銅。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料的線圈中的相繼匝之間的中心到中心間隔大約等于所述絕緣管的外徑。所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例還包括法拉第屏蔽，其被放置在等離子體腔的外表面和導(dǎo)電材料的線圈的內(nèi)徑之間。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述絕緣管與所述法拉第屏蔽的外表面接觸。在所述電感耦合等離子體離子源的一些實(shí)施例中，所述射頻天線被浸入在介電流體中。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的另一方面，一種用于聚焦帶電粒子束系統(tǒng)的電感耦合等離子體離子源，包括:
等離子體腔；
供氣管，用于將原料氣引入到所述等離子體腔中；
射頻天線，被放置在所述等離子體腔周圍，包括:
導(dǎo)電管的線圈；
處于所述導(dǎo)電管的外表面上的導(dǎo)電層；以及
絕緣管，圍繞所述導(dǎo)電層的外表面并與之接觸，其中，所述絕緣管具有高介電強(qiáng)度；并且其中，所述導(dǎo)電管的線圈中的相繼匝之間的中心到中心間隔約等于所述絕緣管的外徑；法拉第屏蔽，被放置在所述等離子體腔的外表面和所述導(dǎo)電管的線圈的內(nèi)徑之間；以
及
射頻電源，其電連接至所述射頻天線，并且被配置為向所述天線供電。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解，能夠在不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本文中描述的實(shí)施例做出各種改變、替換和更改。此外，并非旨在使本申請(qǐng)的范圍局限于說明書中描述的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)構(gòu)成、手段、方法和步驟的特定實(shí)施例。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)對(duì)本發(fā)明的公開將容易地認(rèn)識(shí)至IJ，根據(jù)本發(fā)明可以利用當(dāng)前存在的或者以后開發(fā)出來的執(zhí)行與本文中描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或者實(shí)現(xiàn)與之基本相同的結(jié)果的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)構(gòu)成、手段、方法或步驟。由此，所附權(quán)利要求意在將這樣的過程、機(jī)器、制造、物質(zhì)構(gòu)成、手段、方法或步驟包括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于聚焦帶電粒子束系統(tǒng)的電感耦合等離子體離子源，包括: 等離子體腔； 供氣管，用于將原料氣引入到所述等離子體腔中； 射頻天線，被放置在所述等離子體腔周圍，包括: 導(dǎo)電材料的線圈；以及 絕緣管，圍繞所述導(dǎo)電材料的線圈的外表面并與之接觸，其中，所述絕緣管具有大于25kV/mm的介電強(qiáng)度；以及 射頻電源，其電連接至所述射頻天線，并且被配置為向所述天線供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電材料為導(dǎo)電管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電材料為導(dǎo)線。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，還包括處于所述導(dǎo)電材料的外表面和所述絕緣管的內(nèi)表面之間的導(dǎo)電層，其中，所述導(dǎo)電層的厚度處于20和100 μ m之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電層的厚度處于25和50 μ m之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電層包括銀或金。
7.根據(jù)上述權(quán)利要 求所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管包括聚四氟乙烯。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，使所述絕緣管熱收縮到所述導(dǎo)電材料的線圈的外表面上。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管具有處于250μπι到1250 μ m之間的壁厚度。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管具有處于380μπι到750 μ m之間的壁厚度。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電材料包括無氧高導(dǎo)電性銅。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電材料的線圈中的相繼匝之間的中心到中心間隔約等于所述絕緣管的外徑。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，還包括法拉第屏蔽，其被放置在所述等離子體腔的外表面和所述導(dǎo)電材料的線圈的內(nèi)徑之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管與所述法拉第屏蔽的外表面接觸。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述射頻天線被浸入在介電流體中。
16.一種用于聚焦帶電粒子束系統(tǒng)的電感耦合等離子體離子源，包括: 等離子體腔； 供氣管，用于將原料氣引入到所述等離子體腔中； 射頻天線，被放置在所述等離子體腔周圍，包括:導(dǎo)電管的線圈； 導(dǎo)電層，處于所述導(dǎo)電管的外表面上；以及 絕緣管，圍繞所述導(dǎo)電層的外表面并與之接觸，其中，所述絕緣管具有大于25kV/mm的介電強(qiáng)度；并且其中，所述導(dǎo)電管的線圈中的相繼匝之間的中心到中心間隔約等于所述絕緣管的外徑； 法拉第屏蔽，被放置在所述等離子體腔的外表面和所述導(dǎo)電管的線圈的內(nèi)徑之間；以及 射頻電源，其電連接至所述射頻天線，并且被配置為向所述天線供電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管與所述法拉第屏蔽的外表面接觸。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電層包括銀或金。
19.根據(jù)權(quán)利要求16-18中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管包括聚四氟乙烯。
20.根據(jù)權(quán)利要求16-19中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，使所述絕緣管熱收縮到所述導(dǎo)電層的外表面上。
21.根據(jù)權(quán)利要求16-20中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管具有處于250 μ m到1250 μ m之間的壁厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求16-21中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述絕緣管具有處于380μπι到75 0 μ m之間的壁厚度。
23.根據(jù)權(quán)利要求16-22中的任何一項(xiàng)所述的電感耦合等離子體離子源，其中，所述導(dǎo)電管包括無氧高導(dǎo)電性銅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)的電感耦合等離子體離子源，包括具有原料氣輸送系統(tǒng)的絕緣等離子體腔，與所述等離子體腔同軸放置并且與所述等離子體腔的外徑接近或者與之接觸的緊湊射頻(RF)天線線圈。在一些實(shí)施例中，所述等離子體腔被法拉第屏蔽圍繞，以防止天線上的RF電壓和等離子體腔內(nèi)的等離子體之間的電容耦合。使所述高介電強(qiáng)度絕緣管熱收縮到用于形成所述天線的導(dǎo)電管或?qū)Ь€的外徑上，從而允許對(duì)所述天線線圈內(nèi)的匝的緊密包裝。所述絕緣管能夠隔離所述天線的不同部分之間以及所述天線和法拉第屏蔽之間的RF電壓差。
文檔編號(hào)H01J27/16GK103119687SQ201180046951
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者S.張 申請(qǐng)人:Fei 公司