特表 2024-521061 効率的なイオン収集部を備えたイオン生成システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-28

(54)【発明の名称】効率的なイオン収集部を備えたイオン生成システム

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/04 20060101AFI20240521BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20240521BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20240521BHJP

【ＦＩ】

H01J37/04 A

H01J37/317 E

G21K5/04 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023570163

(86)(22)【出願日】2022-05-13

(85)【翻訳文提出日】2024-01-05

(86)【国際出願番号】 US2022029153

(87)【国際公開番号】W WO2022241196

(87)【国際公開日】2022-11-17

(31)【優先権主張番号】63/188,729

(32)【優先日】2021-05-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521456645

【氏名又は名称】シャイン テクノロジーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100102978

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 初志

(74)【代理人】

【識別番号】100205707

【弁理士】

【氏名又は名称】小寺 秀紀

(74)【代理人】

【識別番号】100160923

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 裕孝

(74)【代理人】

【識別番号】100119507

【弁理士】

【氏名又は名称】刑部 俊

(74)【代理人】

【識別番号】100142929

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 隆一

(74)【代理人】

【識別番号】100148699

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 利光

(74)【代理人】

【識別番号】100188433

【弁理士】

【氏名又は名称】梅村 幸輔

(74)【代理人】

【識別番号】100128048

【弁理士】

【氏名又は名称】新見 浩一

(74)【代理人】

【識別番号】100129506

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 智彦

(74)【代理人】

【識別番号】100114340

【弁理士】

【氏名又は名称】大関 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100214396

【弁理士】

【氏名又は名称】塩田 真紀

(74)【代理人】

【識別番号】100121072

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 和弥

(74)【代理人】

【識別番号】100221741

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 直子

(74)【代理人】

【識別番号】100114926

【弁理士】

【氏名又は名称】枝松 義恵

(72)【発明者】

【氏名】シャーマン ジョセフ

(72)【発明者】

【氏名】チェレクドジアン サルコ

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101AA39

5C101DD30

5C101DD33

5C101EE25

5C101EE35

5C101EE69

5C101FF15

(57)【要約】

システムは、第１の極性を有するイオンを生成するように構成された、イオン源と、引出エネルギーを有するイオンビームとしてイオン源からイオンを引き出すように構成された、１つ以上の引出電極と、質量分解スリット又は開口部であって、所望の同位体イオンビームが質量分解スリット又は開口部を通過するように、イオンビームから所望の同位体を選択するように構成された、質量分解スリット又は開口部と、標的であって、所望の同位体イオンビームが標的に入射するように、質量分解スリット又は開口部に対して位置決めされた、標的と、標的に結合され、かつ第１の極性を有する第１の電圧で標的を保つように構成された、電圧源とを含む。第１の電圧は、所望の同位体イオンビームが標的に近づくにつれて、引出エネルギーの減少を引き起こし、スパッタリングを最小化し、かつ標的上のイオンの収集を最大化して、イオン化材料を再構成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、
第１の極性を有するイオンを生成するように構成された、イオン源と、
引出エネルギーを有するイオンビームとして前記イオン源から前記イオンを引き出すように構成された、１つ以上の引出電極と、
質量分解スリット又は開口部であって、所望の同位体イオンビームが前記質量分解スリット又は開口部を通過するように、前記イオンビームから所望の同位体を選択するように構成された、質量分解スリット又は開口部と、
標的であって、前記所望の同位体イオンビームが前記標的に入射するように、前記質量分解スリット又は開口部に対して位置決めされた、標的と、
前記標的に結合され、かつ前記第１の極性を有する第１の電圧で前記標的を保つように構成された、電圧源と
を備え、
前記第１の電圧は、前記所望の同位体イオンビームが前記標的に近づくにつれて、引出エネルギーの減少を引き起こし、かつ、スパッタリングの最小化、前記標的上の熱負荷の低減、又は前記標的上の前記イオンの収集の最大化のうちの少なくとも１つを行い、イオン化材料を再構成する、
システム。

【請求項2】

前記第１の電圧が、前記引出エネルギーよりも小さい、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第１の電圧が、前記引出エネルギーの９５％よりも大きい、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記第１の電圧が、前記引出エネルギーの９９％よりも大きい、請求項２に記載のシステム。

【請求項5】

前記第１の電圧が、前記イオンの熱エネルギーに対応する量だけ、前記引出エネルギーよりも小さい、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記引出エネルギーが、２０ｋＶ～８０ｋＶである、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記引出エネルギーが、４０ｋＶ～６０ｋＶである、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記所望の同位体イオンビームが前記標的に到達したとき、前記所望の同位体イオンビームが約１００Ｖのエネルギーを有するように、前記第１の電圧が、前記引出エネルギーよりも約１００Ｖ小さい、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記第１の極性が、正である、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記標的が、前記標的上の膜として、前記イオン化材料を収集するように構成されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項11】

前記１つ以上の引出電極と前記質量分解スリット又は開口部との間に磁気分析器を更に備え、前記磁気分析器は、前記イオンビームの他の同位体からの前記所望の同位体の分離を引き起こすように構成された磁場を生成するように構成されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項12】

前記イオンが、イッテルビウムイオンを含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項13】

前記標的が、結晶構造を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項14】

前記標的が、炭素繊維材料を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項15】

イオンを収集するための方法であって、
引出エネルギーをイオンビームに供給する工程であって、前記イオンビームは、第１の極性を有するイオンを含む、工程と、
前記イオンビームが標的に入射するように、前記標的を位置決めする工程と、
前記イオンビームが前記標的に近づくにつれて、前記第１の極性を有する電圧が前記引出エネルギーの減少を引き起こすように、前記標的を前記電圧で保つ工程と、
前記標的上の前記イオンを収集する工程と
を含む、方法。

【請求項16】

前記収集されたイオンを、構成されたイオン化材料として前記標的から取り外す工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記電圧及び前記引出エネルギーが、前記イオンの熱エネルギーに対応する量だけ異なる、請求項１５又は１６に記載の方法。

【請求項18】

前記引出エネルギーを前記イオンビームに供給する工程が、引出電圧で保たれた電極を使用して、前記イオンを加速してイオン源から出すことを含み、前記引出電圧が、前記第１の極性を有し、かつ前記標的の前記電圧よりも大きい、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記引出エネルギーが、前記電圧よりも大きい、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記イオンが、イッテルビウム原子を含む、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステムを使用して実行される、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年５月１４日に出願された米国仮特許出願第６３／１８８，７２９号の利益及びその優先権を主張するものであり、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

技術
本開示は、概して、重金属イオン生成の分野、例えば、医療用途で使用される、重金属イオンの生成に関する。より具体的には、本開示は、高い引出エネルギーでイオン源から加速されたイオンを収集及び構成する効率を改善することに関する。

【背景技術】

【0003】

背景
イオンビームに関連する従来技術は、典型的には、基板材料に変化を創出するために、イオンビームと基板材料との間に高エネルギー衝突をもたらすことを意図している。そのようなシステムにおけるイオン自体は、基板材料内に効率的に保持されず、それらは、スパッタ、昇華、又は散乱され得る。そのようなシステム及び方法は、イオン自体の高効率な収集を提供しない。対照的に、本出願の１つの目的は、例えば、医療用途において、収集、貯蔵、輸送、使用などが可能な構成材料としての、イオンビームのイオンの収集である。

【発明の概要】

【0004】

概要
本開示の一実施態様は、システム、例えば、イオン生成システムである。システムは、第１の極性を有するイオンを生成するように構成された、イオン源と、引出エネルギーを有するイオンビームとしてイオン源からイオンを引き出すように構成された、引出電極と、イオンビームが標的に入射するように、引出システムに対して位置決めされた、標的と、標的に結合され、かつ第１の極性を有する第１の電圧で標的を保つように構成された、電圧源とを含む。第１の電圧は、引出エネルギーにおけるイオンの運動エネルギーの減少を引き起こし、それにより標的における標的イオンの有効ポテンシャルエネルギーは、引出電圧と標的の第１の電圧との間の差になる。このような有効低エネルギーは、スパッタリングを最小化し、標的上の熱負荷を低減し、かつ標的上のイオンの収集を最大化する。有効エネルギーが、蒸発したイオンの熱エネルギーと同等又はそれを下回ると、イオンは基板上に薄膜として堆積され得、したがって、イオンの捕獲を最大化する。

【0005】

いくつかの実施形態では、第１の電圧は、引出エネルギーよりも小さい。第１の電圧はまた、引出電位の９５％よりも大きくてもよいか、又は引出電位の９９％よりも大きくてもよい。第１の電圧は、イオンの熱エネルギーに対応する量だけ、引出電位よりも小さくてもよい。第１の電圧は、イオンビームが標的に到達したとき、イオンビームが約１００Ｖのエネルギーを有するように、引出電位よりも約１００Ｖ小さくてもよい（イオン運動エネルギーは、この文脈では、しばしばボルトで表され、１ボルトは、１クーロン当たり１ジュールに等しく、他の慣習では、これらの値はｅＶで表され得ることに留意されたい）。

【0006】

いくつかの実施形態では、引出エネルギーは、２０ｋＶ～８０ｋＶ、例えば、４０ｋＶ～６０ｋＶである。いくつかの実施形態では、第１の極性は、正である。

【0007】

いくつかの実施形態では、標的は、標的上の膜としてイオン化材料を収集するように構成されている。いくつかの実施形態では、システムはまた、引出電極と標的との間の質量分解開口部も含み、開口部は、イオンの望ましくないサブセットが標的に到達するのを阻止するように構成されている。

【0008】

いくつかの実施形態では、イオンは、イッテルビウム（「Ｙｂ」）イオンを含む。標的は、結晶構造を含み得る。標的は、炭素繊維材料を含み得る。

【0009】

本開示の別の実施態様は、イオンを収集する方法である。本方法は、引出エネルギーをイオンビームに供給する工程を含む。イオンビームは、第１の極性を有するイオンを含む。本方法はまた、イオンビームが標的に入射するように、標的を位置決めする工程と、イオンビームが標的に近づくにつれて、第１の極性を有する第１の電圧が引出エネルギーの減少を引き起こすように、標的を第１の電圧で保つ工程と、標的上のイオンを収集する工程とを含む。

【0010】

いくつかの実施形態では、本方法はまた、構成された中性材料として標的からイオンを取り外す工程を含む。イオンは、イッテルビウム原子を含み得る。

【0011】

引出電位は、標的の電圧より大きくてもよい。いくつかの実施形態では、第１の電圧及び引出電位は、イオンの熱エネルギーに対応する量だけ異なる。引出エネルギーをイオンビームに供給する工程は、引出電圧で保たれた電極を使用して、イオンを加速してイオン源から出すことを含み得る。引出電圧は、第１の極性を有し得、かつ標的の電圧よりも大きい。

【0012】

本開示の別の実施態様は、システムであって、第１の極性を有するイオンを生成するように構成された、イオン源と、引出エネルギーを有するイオンビームとしてイオン源からイオンを引き出すように構成された、１つ以上の引出電極と、質量分解スリット又は開口部であって、所望の同位体イオンビームが質量分解スリット又は開口部を通過するように、イオンビームから所望の同位体を選択するように構成された、質量分解スリット又は開口部と、標的であって、所望の同位体イオンビームが標的に入射するように、質量分解スリット又は開口部に対して位置決めされた、標的と、標的に結合され、かつ第１の極性を有する第１の電圧で標的を保つように構成された、電圧源とを含むシステムである。第１の電圧は、所望の同位体イオンビームが標的に近づくにつれて、引出エネルギーの減少を引き起こし、スパッタリングを最小化し、かつ標的上のイオンの収集を最大化して、イオン化材料を再構成する。いくつかの実施形態では、磁気分析器は、１つ以上の引出電極と質量分解スリット又は開口部との間に位置決めされており、磁気分析器は、イオンビームの他の同位体からの所望の同位体の分離を引き起こすように構成された磁場を生成するように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

本開示は、添付の図面と併せると、以下の詳細な説明からより完全に理解されるものとなり、同様の参照番号は、同様の要素を指す。

【0014】

【図1】例示的な一実施形態による、イオン生成システムの概略図である。

【図2】例示的な一実施形態による、正イオンに関連する一実施形態におけるイオン生成システムの標的及び電圧源の概略図である。

【図3】例示的な一実施形態による、負イオンに関連する一実施形態におけるイオン生成システムの標的及び電圧源の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

詳細な説明
特定の実施形態を詳細に例示する図面に目を向ける前に、本開示は、明細書に記載されるか、又は図面に例示される詳細若しくは方法論に限定されないことを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、説明のみを目的としており、限定するものとみなされるべきではないことも理解されるべきである。

【0016】

図を全般的に参照すると、様々な例示的な実施形態による、イオン生成システム、例えば、重金属イオン生成システムに関するシステム及び方法が、示されている。特に、図は、様々な用途向けに収集、貯蔵、輸送、使用などが可能な材料としてイオンが再構成されるような、イオン生成システムの標的でのイオン（例えば、重金属イオン）の高効率な収集に関するシステム及び方法を全般的に示す。

【0017】

以下に詳述するように、イオンは、イオン源で生成され、イオン源から、例えば、２０ｋＶ～８０ｋＶ（例えば、４０ｋＶ～６０ｋＶ）の高い引出エネルギーを有するイオンビームとして引き出される（イオン運動エネルギーは、この文脈では、しばしばボルトで表され、１ボルトは、１クーロン当たり１ジュールに等しく、他の慣習では、これらの値はｋｅＶで表され得ることに留意されたい）。磁気分析器であって、磁場を使用して、運動量（又は、生成された全てのイオンの電荷が同じである場合は、原子質量）によってイオンを分類する、磁気分析器と、質量分解開口部であって、他のイオンが開口部を通過するのを阻止しながら、所望のイオン（例えば、所望の同位体のイオン）を主に通過させるようにビーム及び磁気分析器に対して配置された、質量分解開口部とを、イオンビームは通過し得る。したがって、所望のイオンのみ、又は高い割合の所望のイオンを有するイオンビームは、開口部を通過する。標的（標的基板、基板など）は、所望のイオンのビームが標的に入射するように、位置決めされている。

【0018】

本明細書に記載のアプローチは、標的に付着するイオンの割合が高く、標的でのスパッタ率が低いため、（例えば、所望の同位体の）中性材料として構成されるイオンの割合が増加し、失われるイオンの割合が減少する。したがって、イオン生成システム全体の全体的な効率（例えば、生成された材料の単位当たりの電力及びリソース消費）が改善される。イオン生成システムの他の望ましくない表面上のイオンの（別様にイオンの散乱に起因し得る）蓄積もまた最小化されるか、又は防止され、それによって、イオン生成システムのダウンタイム及びメンテナンスを低減する。加えて、本明細書のアプローチは、標的基板への熱伝達（標的上の熱負荷、標的上の熱エネルギー負荷）を低減し、したがって、標的での高エネルギー衝突によって別様に引き起こされ得る、温度管理の問題を減少又は除去することができる。

【0019】

以下に詳述するように、本明細書の利点は、イオンと同じ極性を有しかつイオンビームの電位をわずかに下回る大きさを有する電圧で、標的を保つことによって、ある程度は達成される。標的の電圧（及び、その電圧によって作り出された電界）は、イオンビームが標的に近づくにつれて、イオンビームのエネルギーの減少を引き起こす。例えば、イオンが標的に到達すると、イオンのエネルギーが熱エネルギーに減少するように、引出電極によって提供されたイオンビームに加えられたエネルギーを（少なくとも部分的に）オフセットするために標的の電圧が選択されてもよい。そのような場合、標的におけるイオンの電子阻止（すなわち、イオン同士の間の相互作用、及びイオンの電子と標的基板の電子との間の標的相互作用）及び核阻止（すなわち、イオンの核と標的基板の核との間の相互作用）の両方が、ゼロ、又はゼロに近いレベルまで低減される。標的の電位を介してこれらの相互作用を低減することにより、高エネルギーで標的と衝突し、スパッタ又は散乱するのではなく、イオンを標的に付着させ、膜として形成させる。

【0020】

ここで図１を参照すると、例示的な一実施形態による、イオン生成システム１００のブロック図が示されている。イオン生成システム１００は、イオン源１０２、引出電極１０４、磁気分析器１０６、質量分解開口部１０８、標的１１０、並びに接地１１４及び標的１１０に接続された電圧源１１２を含む。イオン源１０２、引出電極１０４、磁気分析器１０６、質量分解開口部１０８、及び標的１１０は、イオンがイオン源１０２で生成され、標的１１０に到達する前に、引出電極１０４、磁気分析器１０６、及び質量分解開口部１０８を順次通過するように、順次配置されている。以下に詳述するように、取り外し、貯蔵、輸送などが可能であり、最終的には、いくつかの用途、例えば、医療用途に使用され得る、構成された中性材料として所望のイオンの効率的な収集を標的１１０で提供するように、イオン生成システム１００が構成されている。

【0021】

イオン源１０２は、イオンを生成するように構成されている。例えば、イオン源１０２は、イオン源１０２に供給されるガス、例えば、イッテルビウム蒸気などの重金属ガスをイオン化する電子を放出するように動作可能なフィラメントを含む、ベルナス（Ｂｅｒｎａｓ）又はフリーマン（Ｆｒｅｅｍａｎ）イオン源として構成され得る。他の金属（Ｌｕ、Ｔｃなどもまた使用され得る）。電子とガスとの間の相互作用は、ガスをイオン化してイオンを生成する。いくつかの実施形態では、イオン源１０２は、正イオン（すなわち、「カチオン」、正極性を有するイオン）を生成する。他の実施形態では、イオン源は、負イオン（すなわち、「アニオン」、負極性を有するイオン）を生成する。イオン源１０２は、イオンがイオン源１０２から引き出され得るように、出口スリット又は開口部を含む。いくつかの実施形態では、イオン源１０２は、例えば、２０２０年１２月８日に出願され、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国仮特許出願第６３／１２２，６９９号に詳細に記載されているように、イオン源１０２の要素を保護し、かつイオン源１０２からの引出用イオンの均一性を改善するための、補助ヒータを含む。

【0022】

引出電極１０４は、イオン源１０２からイオンを引き出す電界を提供するように構成されかつ動作される、１つ以上の電極を含む。イオンは、第１の極性（異なる実施形態では、正又は負）の電荷を有するため、引出電極１０４における反対の極性の電圧が、イオンビームとしてイオン源からイオンを引く。引出電極１０４は、イオンビームを加速し、イオンビームを減速し、ビームを成形し、ビームを照準するなどのための、１つ以上の電極を含み得る。イオンビームを加速してイオン源１０２から出す電界を提供することによって、引出電極１０４は、引出電極１０４の電圧と同じ又は類似の大きさの引出エネルギーをイオンビームに供給する。例えば、５５ｋＶの電圧の電極は、イオンビームが引出電極１０４を通過するときに、５５ｋＶの引出エネルギーをイオンビームに供給することができる（イオン運動エネルギーは、この文脈では、しばしばボルトで表され、１ボルトは、１クーロン当たり１ジュールに等しいことに留意されたい）。

【0023】

したがって、高い引出エネルギーを有するイオンビームが、引出電極１０４の出力として提供される。様々な実施形態では、高い引出エネルギーは、２０ｋＶ～８０ｋＶの範囲内、例えば、４０ｋＶ～６０ｋＶ（例えば、５５ｋＶ）であり得る。そのような実施形態では、引出電極１０４で加えられる電圧は、特定のシナリオ用の所望の引出エネルギーをイオンビームに供給するように選択され得る。

【0024】

図１の例では、イオンビームは、引出電極１０４から磁気分析器１０６へ通過する。他の実施形態では、磁気分析器１０６は省略される。磁気分析器１０６は、イオンビーム上に磁力を作り出す磁場を提供するように構成されている。各イオンにおける磁力はほぼ等しくてもよいが、イオンビームは、イオンの質量が変化するように、異なる同位体のイオンを含んでもよい。磁気分析器１０６によって提供された磁力は、質量によるイオンの分離をもたらし得る。したがって、磁気分析器１０６を通過した後、イオンビームの横断面の異なる領域は、異なる同位体、すなわち、異なる質量のイオンを含み得る。

【0025】

図１では、イオンビームは、磁気分析器１０６から質量分解開口部１０８へ通過するように例示されており、質量分解開口部１０８は、所望のイオンが質量分解開口部１０８を通過することを可能にしながら、イオンの望ましくないサブセットが質量分解開口部１０８を通過するのを阻止するように構成されている。具体的には、質量分解開口部１０８の通過が可能なイオンは、主に所望の１つの同位体（又は、所望の２つの同位体）のイオンであり、一方、１つ以上の他の同位体のイオンは、質量分解開口部１０８によって遮断される。このことは、磁気分析器１０６によって達成される質量による同位体の分離を利用するように、磁気分析器１０６に対して質量分解開口部１０８を位置決めすることによって達成される。様々な実施形態では、様々な幾何学的配置が可能である。したがって、磁気分析器１０６及び質量分解開口部１０８を含む例では、標的１１０に到達するイオンビームは、高い割合の所望の同位体（一種）又は所望の同位体（複数種）を含み、異なる同位体のイオンによる汚染の割合は低い。

【0026】

質量分解開口部１０８からのイオンビームは、標的１１０に入射する。標的１１０は、イオンビームのイオンを受けて収集するように構成されている。標的１１０の表面上の膜、及び／又は標的１１０の格子構造に埋設された膜として含む、イオンを受けて保持するのに好適な基板材料を、標的１１０は含むことができる。例えば、標的１１０の基板材料は、結晶構造を有し得る。別の例として、標的１１０の基板材料は、炭素繊維材料（例えば、炭素繊維クロス）を含み得る。標的１１０の材料はまた、イオンが標的１１０上に収集されるか、標的１１０に埋め込まれるか、又は他のものが標的１１０で受け取られた場合でも、標的１１０が実質的に一定の電圧で保たれることができるように選択される。標的１１０の材料は、標的１１０への又は標的１１０内でのイオンの付着を引き起こすのに役立つように選択されてもよい。標的１１０は、イオン源１０２の動作中に、標的１１０上に蓄積するイオン材料を得ることを容易にするために、イオン生成システム１００において取り外し可能かつ交換可能であってもよい。

【0027】

標的１１０は、標的１１０と接地１１４との間に接続されている電圧源１１２に結合されているように示される。イオン生成システム１００の他の要素はまた、その動作を可能にするための、好適なエレクトロニクス素子、電源などを含む。電圧源１１２は、イオンビームと同じ極性を有する電圧（本明細書では標的電圧と称される）で標的１１０を保つ（置く、確立する、維持するなど）ように構成されている。例えば、図２～３に例示され、かつ以下で考察されるように、正の電圧は、正イオンがイオン源によって生成されるシナリオでは、電圧源１１２によって標的１１０に供給され、一方、負の電圧は、負イオンがイオン源によって生成されるシナリオでは、電圧源１１２によって標的１１０に供給される。

【0028】

標的電圧は、好ましくは、イオンビームが、標的電圧によって反対方向に附勢されることなく標的に到達することができるように、イオンビームの引出エネルギーよりも小さく、一方で、標的１１０でのイオンビームの電子阻止及び核阻止の両方を最小化するのに十分な程度に、イオンビームのエネルギーを低減するのに十分に高い（それによって、イオンと標的１１０との間の高エネルギー衝突によって別様に引き起こされるであろう散乱又はスパッタリングを最小化する）。例えば、標的電圧は、イオンが標的１１０に到達するとちょうどイオンのエネルギーが熱エネルギーに減少するように、イオンの熱エネルギーに対応する量だけ引出エネルギーよりも小さくてもよい。様々な実施形態では、標的電圧は、引出エネルギーよりも小さく、かつ引出エネルギーの９５％よりも大きく、例えば、引出エネルギーの９９％よりも大きい（一方で、引出エネルギーよりも小さい）。いくつかの実施例では、標的電圧は、イオンビームが目標に到達したとき、イオンビームが約１００Ｖのエネルギーを有する（例えば、引出エネルギーから標的電圧を引くと約１００Ｖに等しくなる）ように、引出エネルギーよりも約１００Ｖ小さい。一実施例では、引出エネルギーは５５ｋＶであり、標的電圧は５４．９ｋＶである。

【0029】

いくつかの実施形態では、電圧源１１２及び標的１１０は、イオン生成システム１００の動作中、かつ標的１１０上に（例えば、標的１１０上の、標的１１０に埋設された膜として）イオンが集まり、中性材料（例えば、所望の同位体の）に構成されるとき、標的１１０の電圧が実質的に一定であるように、構成されている。いくつかの例では、標的１１０からの構成されたイオン化材料の取り外しを容易にするために、標的１１０は、イオン生成システム１００から取り外し可能であり得る。いくつかのそのような例では、電圧源１１２は、標的１１０が、その上に収集されたイオン化材料を妨害することなく、電圧源１１２から接続解除されることを可能にするために、標的電圧をゼロに向かって徐々に減少させるように制御される。いくつかの実施形態では、標的１１０（又は、その一部分）は、イオン化材料の輸送及び更なる処理で使用するために取り外され、イオン生成システム１００の後続の動作で使用するために新しい標的１１０（又はその新しい部分）と交換される。他の実施形態では、標的１１０が、より多くのイオンを収集するために、イオン生成システム１００の後続の動作で再利用され得るように、イオン化材料は、標的１１０から取り外され得、レセプタクル（又は、他の収集及び保持デバイス）に収集され得る。

【0030】

ここで図２を参照すると、例示的な一実施形態による、正イオンビーム２００に関連する一実施形態におけるイオン生成システム１００の標的１１０及び電圧源１１２の概略図が示される。図２は、標的１１０に向けられ、標的１１０に入射する正イオンビーム２００（すなわち、正荷電イオンのビーム）を示す。

【0031】

正イオンビーム２００は正極性を有するため、標的１１０の電圧にも正極性が供給される。図２は、標的１１０が電圧源１１２の正端子に接続されており、電圧源１１２の負端子は接地１１４に接続されていることを例示する。電圧源１１２は、標的１１０を正電位、すなわち、正イオンビーム２００と同じ極性の電位に保つ。

【0032】

標的１１０の正電位は、標的１１０に向かうイオンビーム２００の移動に抵抗する電界を提供する。イオンビーム２００は、標的１１０に到達するために、この電界を横断する必要がある。そうすると、イオンビーム２００の運動エネルギーは、標的１１０の正電位によって作り出された電界内のイオンの電位に変換される。これは、標的１１０に到達するために「上り坂」を転がるイオンに類似していると考えられ得る。上で考察されたように、標的電圧は、正イオンが標的１１０に到達するとちょうど、正イオンビーム２００が低エネルギー、例えば、熱エネルギーに到達するように、選択及び維持される。熱エネルギーに減少すると、正イオンビーム２００は、それが標的１１０から離れることになるか又はスパッタリング若しくは散乱を引き起こすことになる余分な運動エネルギーを有さず、したがって、正イオンビーム２００のイオンは、例えば、図２に示すように、正イオン膜２０２として形成するように、標的１１０で付着する。

【0033】

ここで図３を参照すると、例示的な一実施形態による、負イオンビーム３００に関連する一実施形態におけるイオン生成システム１００の標的１１０及び電圧源１１２の概略図が示される。図２は、標的１１０に向けられ、標的１１０に入射する負イオンビーム３００（すなわち、負荷電イオンのビーム）を示す。

【0034】

負イオンビーム３００は負極性を有するため、標的１１０の電圧にも負極性が供給される。図３は、標的１１０が電圧源１１２の負端子に接続されており、電圧源１１２の正端子は接地１１４に接続されていることを例示する。電圧源１１２は、標的１１０を負電位、すなわち、負イオンビーム３００と同じ極性の電位に保つ。

【0035】

標的１１０の負電位は、標的１１０に向かうイオンビーム３００の移動に抵抗する電界を提供する。イオンビーム３００は、標的１１０に到達するために、この電界を横断する必要がある。そうすると、イオンビーム３００の運動エネルギーは、標的１１０の負電位によって作り出された電界内のイオンの電位に変換される。これは、標的１１０に到達するために「上り坂」を転がるイオンに類似していると考えられ得る。上で考察されたように、標的電圧は、負イオンが標的１１０に到達するとちょうど、負イオンビーム３００が低エネルギー、例えば、熱エネルギーに到達するように、選択及び維持される。熱エネルギーに減少すると、負イオンビーム３００は、それが標的１１０から離れることになるか又はスパッタリング若しくは散乱を引き起こすことになる余分な運動エネルギーを有さず、したがって、負イオンビーム３００のイオンは、例えば、図３に示すように、負イオン膜３０２として形成するように、標的１１０で付着する。

【0036】

したがって、イオン生成システム１００は、構成されたイオン化材料としてイオンの高効率の生成及び収集のために構成されている。前述のように標的１１０を標的電圧に設定することにより、標的１１０に入射する高い割合のイオンを、標的１１０で付着させ、例えば、標的１１０に膜を形成する。したがって、イオン生成システム１００の効率は、イオン源１０２によって作り出された高い割合の所望のイオンの収集を提供することによって、改善される。加えて、材料が低率又はゼロ率でスパッタ又は散乱されるため、イオン生成システム１００における他の望ましくない表面上に蓄積することも実質的に防止され、それによって、イオン生成システム１００のダウンタイム、洗浄、メンテナンスなどを低減する。加えて、標的における高エネルギーイオンの電子阻止又は核阻止（すなわち、原子間の衝突）は、標的の熱エネルギーを大幅に増加させることになるが、本明細書の実施形態は、電圧源１１２によって提供される電位を使用してイオンのエネルギーを低減し、それによって、標的での熱エネルギーの蓄積を回避する。

【0037】

上の考察は、イオン生成システム１００の動作と関連付けられた物理の法則及びイオンビームに対する標的電圧の作用の全般的な概要を述べているが、イオンビームの挙動が複雑であることと、追加の又は代替の理論又は実験結果を使用して、本明細書に記載のシステム及び方法の様々な利点の更なる又は代替の説明を提供し得ることとを理解されたい。実験結果は、上述したように、イオンビームと同じ極性の標的電圧を標的１１０に供給することによって、本明細書に記載される利点が得られることを示している。

【0038】

本明細書で使用される場合、「およそ」、「約」、「実質的に」という用語、及び同様の用語は、本開示の主題が関連する当業者による一般的かつ受け入れられた使用法と調和した、幅広い意味を有することが意図される。これらの用語は、記載されかつ特許請求される特定の特徴の説明を、これらの特徴の範囲を、提供された正確な数値又は理想的な幾何学的形態に限定することなく可能にすることが意図されていることを、本開示を検討する当業者は理解するはずである。したがって、これらの用語は、記載されかつ特許請求される主題の非実質的な又は重要でない改変又は変更が、添付の特許請求の範囲に列挙されるような本開示の範囲内であるとみなされることを示すと解釈されるべきである。

【0039】

「結合された」という用語及びその変形は、本明細書で使用される場合、互いに直接的又は間接的に２つの部材の接合を意味する。そのような接合は、固定（例えば、永続的又は不変）又は可動（例えば、取り外し可能又は解放可能）であり得る。そのような接合は、互いに直接結合された２つの部材、別個の介在部材及び互いに結合された任意の追加の中間部材を使用して互いに結合された２つの部材、又は２つの部材のうちの１つと単一の一体物として一体的に形成された介在部材を使用して互いに結合された２つの部材によって、達成され得る。「結合された」又はその変形が追加の用語（例えば、直接結合された）によって改変される場合、上記に示した「結合された」の一般的な定義は、追加の用語の平易な言語の意味によって改変され（例えば、「直接結合された」は、別個の介在部材なしでの２つの部材の接合を意味する）、上記に示した「結合された」の一般的な定義よりも狭い定義になる。そのような結合は、機械的、電気的、又は流体的であり得る。

【0040】

要素の位置（例えば、「上部」、「下部」、「の上」、「の下」）への本明細書での参照は、単に、図面における様々な要素の配向を説明するために使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態に従って異なる場合があり、そのような変形は、本開示によって包含されることが意図されることに留意されたい。

【0041】

図面及び説明は、方法のステップの特定の順序を例示し得るが、そのようなステップの順序は、上記で別様に指定されない限り、描写及び説明されるものとは異なってもよい。また、２つ以上のステップは、上記で異なって指定されない限り、同時に、又は部分的に同時に実行され得る。そのような変形形態は、例えば、選択されたソフトウェア及びハードウェアシステム、並びに設計者の選択に依存し得る。全てのそのような変形形態は、本開示の範囲内である。同様に、記載される方法のソフトウェアの実装は、様々な接続ステップ、処理ステップ、比較ステップ、及び判定ステップを達成するために、ルールベースのロジック及び他のロジックを用いた標準的なプログラミング技術によって達成され得る。

【0042】

他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載される。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】