改进低能量大电流带状束注入机中的束中和

摘要

现代半导体集成电路的制造往往要求涉及大电流低能量带电搀杂剂原子的注入步骤。当使用这样的射束时，添加用于中和空间电荷的影响的电子或负离子对于获得成功往往是有决定性意义的。在没有这种补充的情况下，离子束会“爆炸”，导致强度的损失和束聚焦的破坏。在本公开中，提供用于引入低能量电子和负离子并将其约束在磁场偏转区域内的带状束边界内的方法。描述了用于基于减少电子丢失、等离子体桥接和二次电子产生的来保持中和状态的设备。作为向偏转区域的等离子体引入的一部分，新颖的低温抽运设备选择性地从等离子体流中去除中性原子。

说明书

本申请要求以下各项美国临时专利申请的优先权：序号 60/637,625，2004年12月20日提交的题为″改善低能量大电流注入 机中的束中和(Improving Beam Neutralization in Low-Energy High- Current Implanter)″；序号60/638,848，2004年12月23日提交的题目 也为″改善低能量大电流注入机中的束中和(Improving Beam Neutralization in Low-Energy  High-Current Implanter)″；序号 60/642,612，2005年1月10日提交的题目也为″改善低能量大电流注 入机中的束中和(Improving Beam Neutralization in Low-Energy High- Current Implanter)″；和序号60/645,458，2005年1月19日提交的题 目也为″改善低能量大电流注入机中的束中和(Improving Beam Neutralization in Low-Energy High-Current Implanter)″，通过引用将这 些专利申请的公开内容全部包括在本文中。

技术领域

本发明涉及用于使用带状束的低能量大电流的离子注入的方法和 设备。具体地说，本发明利用电子或负离子来提高空间电荷中和的 效率，以便将空间电荷破坏性的影响减到最小。

背景技术

作为20世纪巨大成功事迹之一的注入技术已经成为在生产小规 模晶体管和集成电路阵列(IC)期间使用的关键技术。通过允许受控引 入精确浓度的许多种类的带电搀杂剂原子和分子(包括硼、BF2、砷、 磷、铟和锑)，注入技术已经使小型IC实用化。这些搀杂剂改变底层 半导体材料的特性，具体地说，改变底层半导体材料的导电率。可 以以非常高的精度并且在半导体表面以下任何选定的深度处实现利 用注入技术的电路图案形成，使得制造复杂的二维和三维电路成为 可能的。

为了预测这种技术将来发展的方向，考察过去25年的记录是有 用的。可以看出，硅技术已经不断地朝着沟道长度和栅极氧化物厚 度的越来越小的尺寸发展，并且Moore′s观察(通常称为Moore′s定律) 表明，在最近几十年内，每隔12个月和18个月之间的时间，IC晶 体管密度加倍。预期这种趋势将至少继续到另一个十年，其驱动力 是生产更小更高速的器件。为了实现这样的改善，必须既减小IC的 横向尺寸又减小IC的深度尺寸，因此，三维电路的一般开发可能成 为最重要的。这已经使IC设计者把离子注入技术朝着以下方向推进： 更高的搀杂剂电流、更低的注入能量和改进在工件上的入射角控制。 为了将通道效应减到最小以及适当执行倾斜注入，角度控制是最重 要的。总之，这种技术的将来看来是光明的，并且可以预期，在一 个长时间内，我们将离不开注入技术。

由入射搀杂剂离子的能量设定注入的搀杂剂原子在半导体晶体内 停止的深度。因而，在选择注入能量方面的灵活性是成功的注入设 备的最重要的特征。往往，IC制造商需要调整在～250eV和3000keV 之间的任意位置的搀杂剂能量；比率超过10,000。搀杂剂束电流是 另一个重要的参数：有用的搀杂剂电流可以小到1微安，但是，对 于其它应用可以超过30毫安。

在较高电流电平下，搀杂剂离子之间的排斥空间电荷力开始起作 用。特别是，当离子能量低时以及当带电搀杂剂原子穿过偏转磁场 时，对带状束形状造成的分裂效应是很麻烦的。所造成的束扩张可 以产生对壁部来说无法接受的离子损失以及对适当运行所需的离子 聚焦的损害。但是，自然界是客气的：通过把电子和负离子引入束 中；还通过使用补偿非理想中和的辅助聚焦元件，抵消空间电荷力 是可能的。

一种特殊类型的注入机(但不限于此)，通常称为″大电流设备″， 是本专利公开的中心课题。把这种类型的机器规定为是这样的机器， 其离子强度足够大，使得对于适当的运行来说束中和是最重要的； 为了空间电荷中和适当的运行，必须把电子或负离子加到加速的射 束中。

大部分大电流注入机的特性包括：(i)短的光程长度；(ii)束横截 面尺寸往往是大的；(iii)为了空间电荷中和而引入低能量电子；(iv)在 搀杂剂射束内已经捕获的中和电子守恒；(iv)用于补偿残余分裂力和 麦克斯韦电子分布的高能量电子舍项误差的有效聚焦。

关于大电流注入机的改进是引入带状束技术。这里，到达工件的 离子被编制成带条，当使晶片在所述离子束下面通过时，所述带条 均匀地覆盖工件。对于单晶片注入机，晶片仅仅需要在入射带状束 下面沿着一维方向行进，大大地简化了靶室的机械设计并且不需要 横向电磁扫描：利用正确成形的带状束，在晶片单次一维通过的情 况下，在整个工件上的均匀剂量密度是可能的。一个重要的特征是： 生产能力可以是高的并且不受使用二维机械扫描的靶室的晶片扫描 能力的限制。在原理上，带状束概念不限制最大晶片尺寸，因而可 以使450毫米晶片以同200毫米或300毫米晶片相同的速率通过系 统。但是，应当强调，特别是在产生低能量离子束期间，直流带状 束技术有其自己的特殊问题：这些问题包括具有大横向尺寸的射束 的空间电荷中和的困难。

为了说明空间电荷对低能量射束的影响，考虑一个具有电流密度 J的定向离子束是有用的。这样的射束将在恒定时间内与能量无关地 产生特定的单位面积的剂量。利用简单的几何学，可以看出，这样 的恒定电流束具有与束离子速度成反比的每单位体积的电荷。因而， 束电荷密度Q与离子能量的平方根成反比：

Q＝J/(2eU/M)^1/2    (1)

这里，e是电子电荷，U是离子能量，而M是离子质量。

在离子束内，由于由空间电荷密度Q产生的电场的结果，产生 径向加速度。这些场随着所述能量的平方根成反比地增长，但是随 束电流密度的减小而降落；建议宽射束是最佳的。因为束对称性的 缘故，在束中心处不存在电场，而来自空间电荷的分裂力随离开所 述中心的距离而增大。根据简单的牛顿力学的进一步计算表明，在 实验室看到的物理束扩张正比于1/U^3/2；一个强有力的定律。

实际上，空间电荷的影响在能量低于约15keV时开始变成引人 注意的。因而，当努力设计一种既运行在高能量条件下又运行在低 能量条件下的注入机时，空间电荷的影响使问题大大地复杂化。

若使用减速度来产生低能量离子，则可以出现对束宽度扩张的附 加贡献：当减慢离子时发生的不可避免的相空间扩张进一步加重壁 部的离子损耗，其总的效应是：束的外尺寸可以实际上正比于1/U²而增大，或者甚至更快。

在较高能量条件下以及在零场区域(漂移空间)，用于补偿空间电 荷的不希望有的影响的公用技术是利用通过快速束离子与真空系统 中存在的残余分子和原子之间的相互作用产生的低能量电子淹没所 述区域。这些电子是利用下面描述的反应在束本身内产生的并且被 标记为(2)。因为电子实际上是在束本身范围内产生的，所以它们可 以封闭在离子束边界范围内。实际上，这种机制允许在把中和电子 引入束包线和从束静电势阱逃逸的高能麦克斯韦电子之间建立空间 电荷平衡。

应当强调，可以获得的中和的程度取决于离子束内的随机噪音电 平。离子输出的瞬时减少可以导致中和电子的迅速的损失，这可以 在30微秒内重建。在严重的情况下，射束可以变成不稳定的或′杂乱′ 的。但是，若源是′静的′(利用低噪声产生射束)并且若可以获得二次 电子的适当磁通，那么，相对中和可以是99％或甚至更高；应该指 出，在非常低能量条件下，甚至残余的1％也可以诱生重大的束发散， 因此可能需要补偿辅助聚焦，以避免束损失。

对于产生中和电子，两种原子反应具有重要性：(i)电离碰撞：在 较高能量条件下，用于产生电子的最重要的反应涉及在真空环境中 高速束离子I⁺和残余分子或原子R⁰之间的相互作用，产生带电残余 气体分子R⁺加上自由电子：

I⁺+R⁰＞I⁺+R⁺+电子    (2)

破坏R_o的电子结合所需的能量来自束本身，使得产生在束势阱 范围内的低能量电子成为可能的，其中逃逸的几率可以是很小的。 由5kev能量的硼离子诱发的这种类型的反应的截面是约10^-16cm²， 但是这种截面随着离子能量的减小而引人注目地下降到零。引入的 电子围绕射束沿着轨道旋转并且沿着各种各样的轨迹通过所述射 束，这涉及可以导致能量转移和热电离。电子能量分布迅速地变成 麦克斯韦分布，其中那些电子处在其能量大于束阱逃逸深度的分布 中。对于低于几个keV的束能量，随着在空间电荷力生长的同时用 于产生电子的截面下降到零，这种电离过程逐渐变成较少用处。

(ii)电荷交换碰撞：二次电子生产过程涉及高速束离子I⁺，所述 高速束离子I⁺通过交换电荷拾取来自残余气体分子或原子R⁰的电 子，但是不产生自由电子：

I⁺+R⁰＞I⁰+R⁺

因而，除形成的慢带电离子R⁺以外，还有快中性物质群I⁰，所 述快中性物质群I⁰或多或少地沿着与它们的快速母离子相同的方向 继续前进。类型(ii)碰撞的截面比类型(i)碰撞的截面高得多，并且仍 旧高于实测的最低能量。

但是，正如所指出的，类型(ii)的反应不在束内产生电子，而类 型(i)的反应在束内产生电子并且仅仅产生二次电子，其中快速中性物 质I⁰轰击壁部或磁极，在那里它们产生二次电子，然后所述二次电 子可以被离子束捕获。在束内形成的慢残余正离子R⁺被排斥，并且 这些慢残余正离子R⁺当它们轰击壁部时也产生二次电子。但是，通 过射束的捕获取决于几何结构，并且上述类型(i)或类型(ii)过程都不 提供用于在低能量条件下产生中和电子的可靠方法，其中必要的中 和密度必须增长以便与表达式(1)中所示的电荷密度Q匹配。

在磁场中的中和

在低能量条件下，当离子束穿过磁场时，中和变成甚至更困难。 不仅类型I的反应[方程式(2)]的截面变小了，而且变成可用的任何中 和电子也受到限制，以便跟随磁力线，其中它们显示沿着磁场方向 的高迁移率，而在垂直方向上接近于零迁移率。结果是，在磁场中 通过从附近的漂移区引入低能量电子来中和空间电荷是不可行的。

J.G.England等人在美国专利6,515,408中以及R.B.Liebert等人在 美国专利6,762,423中描述了用于在磁场内为空间电荷中和提供电 子。在两个公开中，从分布在磁极表面上的灯丝源产生中和电子。 在磁极表面上产生的电子具有准备好通向磁力线的路，导致容易进 入束区域。在美国专利6,515,408的情况下，在磁极上既以弧度图案 又以径向图案分布附加的电子发射灯丝，在灯丝后面包括静电斥力 屏蔽，以便反射离开壁部的电子，并且碳灯丝用于电子生产，以便 把来自高熔点金属的污染减到最小。对于某些射束，已经使用高达 7OeV的能量，所述能量显著地大于大部分局部中和空间电荷阱的深 度。

在两个专利423和408中提供的方法的重要问题是中和电子进入 具有高于局部零电势的束空间电荷阱。因而，因为在远处产生的甚 至零能量电子将往往被加速穿过射束并且穿过另一侧而出，因而不 被捕获，所以俘获难以实现。只有射束内的非弹性或弹性电子/电子 碰撞才能够使这样的电子被捕获。

发明内容

在本公开中，在磁场中实现中和，其方法是：利用由带电氩、氙 或氪离子构成的等离子体作为本地电位和离子束的势阱之间的低阻 抗导电通路。描述了用于实现这种传输的两个实施例。第一实施例 涉及磁偏转器磁极下面的无场区域。第二实施例涉及引入来自无场 区域的电子。

在等离子体引入情况下，电子路径受磁场的约束并且与慢且重的 正粒子一起漂移离开磁极，所述正粒子由于受磁场的影响并不一起 跟随。在达到束边界时，等离子体电子改变它们的耦合(allegiance)而 封闭在射束内，维持它们的原始动能。来自等离子体的被放弃的正 离子被束电位排斥并且朝着磁极加速，在磁极处它们进一步产生二 次电子，所述二次电子又将被吸向离子束并且沿着磁力线返回。在 所述磁极和束边界之间建立等离子体连接，所述等离子体连接允许 将大的电子电流传输到束区域。

另外，将描述利用二次电子来提供所需的中和的技术。一般说来， 这些技术涉及高能电子源，所述电子轰击靶(诸如碳或硅)以便产生低 能量二次电子，所述二次电子被从磁极下面的区域引入到所述射束。

在本公开中，将提供用于实现六个步骤的方法和设备，所述六个 步骤是令人满意地把电子注入高强度低能量离子束所需的。这些步 骤包括：

1.适当的等离子体源，用于在本地和离子束之间产生低阻抗连 接通路。

2辅助电子源，它克服离子电流必须等于电子电流的等离子体源 限制。

3把电子传输到离子束势阱

4把电子封闭在离子束势阱内

5将电子分布到离子束的其它部分

6捕获电子的守恒

等离子体发生器

虽然本专业的技术人员将会意识到可以选择各种各样的等离子体 发生器设计，但是在该优选实施例中已经选定Helicon(螺旋)放电的 几何结构作为选择的等离子体发生器。这种类型的放电的细节已经 由F.F.Chen在以下的书中讨论：由Oleg A.Popov编辑的，由Noyes 出版的，书名为′高密度等离子体源′的书的1-75页。使Helicon几何 结构具有吸引力的特性是：低压力运行、高离子对密度、封闭通道 中有用的等离子体注入、放电管内无内部电极以及可控电子能量分 布。

所描述的第二实施例利用空心阴极源作为上述的Helicon种类的 替换。空心阴极装置的优点是它们的直径比较小，使得等离子体源 的位置有可能靠近使用地点。还有，它们可以是富电子源。

当使用等离子体传输来引入中和电子时必须解决的一个严重问题 是处理不希望有的气体：等离子体产生过程的固有部分。需要非常 高的抽运速度，而在传统的抽运几何结构中，涡轮泵或低温泵的使 用通常受到来自将泵耦合到室的抽运真空阻抗的传导限制。

描述了利用深冷的新颖方法，所述新颖方法可以用来提供非常高 的收集引入等离子体发生器的气体(氩、氪或氙)的速度。

产生辅助电子

在密封等离子体源中，诸如在没有内部灯丝的Helicon中，电子 生产量等于离子生产率。提取率受出口孔面积和离子的慢速度的限 制。但是，在已经建立到离子束的桥接之后，可以以类似于铜导线 工作的方式，在本机地和离子束之间传输较大的电子电流。本专业 的技术人员将会意识到，可以使用各种各样的辅助源(包括直热式钨 或钼灯丝、间热式阴极或加热的LaB₆)来增大电子电流。

等离子体和电子的传输

希望在等离子体传输区域中有最小横向磁场，因为电子沿着磁力 线行进。若存在显著的横向分量，那么，电子将损失在传输区域的 壁部。为了满足这种要求，引导氩或其它适当的等离子体通过穿透 偏转磁偶极子的钢磁极的底侧的孔。虽然束偏转偶极子磁通B_o可能 相当大，但是，这样的孔的内部是低磁场区。这种磁通通过所述钢 磁极环绕所述孔流通，同时，所述磁场趋向于避免跨过由所述孔建 立的开口，而通过周围的高导磁率钢围绕所述孔流通。在所述孔内， 剩余磁通B_o/μ将接近于零。这里，B_o接近于偏转离子束所需的磁通 强度，而μ是所述钢的相对导磁率，典型的是2000。本专业的技术 人员将会意识到，通过包含进一步的铁镍高导磁率合金屏蔽，可以 将所述磁场减小到几乎零。这样的无磁区域提供可以引导中和的等 离子体通过其中的通道，而没有来自横向磁场的干扰，特别是，如 果沿着穿过所述钢磁极的孔建立螺线管磁场的话。它还提供小直径 空心阴极源可以在其中工作而没有来自横向磁场的干扰的区域。为 了保证沿着所述孔的轴线的密集度，可以通过沿着所述管的内部安 装密绕载流螺旋线来引入螺线管磁场。

在整个束中的分布

本公开中要解决的一个重要问题是用于在整个离子束体积中移动 所述电子而不允许它们被集中在它们被引入的点附近。通过以下方 法来实现这种必要的运动：利用围绕与B x gradB耦合的磁区域的边 沿的E x B电子漂移以及曲率漂移。在1983年Plenum出版社出版的， F.F.Chen编写的，书名″等离子体物理和受控核聚变″的书中第23-30 页上讨论了这些过程的细节。

电子守恒

在已经把中和电子移动到适当的位置之后，重要的是，它们不会 轻易地逃逸。避免中和电子的损失是关键的。这种临界性部分地是 离子源中不稳定性的结果。如果没有办法防止中和电子的直接损失， 那么，离子源输出强度的任何减小都将立即丢失空间电荷中和。实 际上，丢失出现迅速，而中和的重建花费较长时间；已经报告，恢 复时间一般是30微秒量级。

电子守恒

局部集中的形成在偏转磁铁的磁通往往富集的磁极上加强，其方 法是：利用嵌入在所述磁极中的永久磁铁配置来产生强的电子反射。 所述效应产生局部磁通集中和类似于北极光(the Aurora Borealis)中的 电子轨迹的电子俘获。

其他实施例

还描述了用于基于直接使用电子提供中和电子的其他实施例。可 以由制造成位于偏转磁铁的一个磁极上并且位于离子束下面的大面 积场发射阴极形式的场发射体来产生电子。但是，与用于等离子体 显示电视管的密封阴极不同，所述公开阴极具有独特特征：它们由 小直径不锈钢皮下注射(hypodermic)管的相对较长的部分形成，所述 小直径不锈钢皮下注射管已经通过离子束溅射被进一步削尖。[这种 结构的理由是：在注入机的真空系统内总是存在氟，这是在生产硼 射束和BF₂离子所需的离子源中使用BF₃气体的结果。其结果是：腐 蚀迅速损伤在低电压(-10伏)下产生场发射所需的尖锐尖端]。小流量 氩或其它的适当的气体保护所述发射体免受氟化物腐蚀影响。使用 长管而不是实心阴极使得可以把可预计的高流动阻抗引入气体流动 管线中。

用于提供从靠近偏转磁铁的磁极面的表面发射的低能量二次电子 的第二种方法把加热的钨和钼导线的热灯丝用于电子发射。这样的 灯丝位于基本上无场区域中，其产生的电子在冲击由石墨或其他合 适的材料制成的二次发射阴极之前仅仅行进短的距离。几何结构应 当是这样的，使得所产生的二次电子容易链接到(link to)偏转磁力线。

还提供一些方法，这些方法利用诸如氩或氙的离子种类的外部高 能量束，以便从与残余真空的原子和分子的相互作用产生低能量电 子。

附图说明

为了更好地理解本发明，参考结合于本文的附图：

图1图解说明在偶极子磁铁内的等离子体传输通道。

图2图解说明空心阴极等离子体注入。

图3图解说明隙缝束等离子体传送的细节。

图4图解说明径向等离子体发生器。

图5图解说明围绕偏转磁铁漂移的电子。

图6图解说明倒角(chamfer)边缘几何结构。

图7图解说明会切场(cusp field)的引入。

图8图解说明等离子体传送管的横截面。

图9图解说明低温气体分离器。

图10图解说明磁极内二次电子源。

具体实施方式

图1图解说明偏转磁铁的磁极的横截面。虽然本专业的技术人员 将会意识到，磁极表面101实际上可以是底层磁旁轭(magnetic return yoke)102的一部分，但是，在该优选实施例中，所述磁极103的表 面位于真空室104内，而不是外面。通过线圈112产生磁场。这使磁 极可以根据需要靠近离子束轨迹105，而不浪费需要厚壁部以承受大 气压力的宽的真空密封外壳的距离。可以利用表面绕组主动地引入 可变磁场，所述表面绕组在Kenneth H.Purser和Norman L.Turner 的题为″利用可变梯度偶极子的宽能量范围带状离子束准直(Broad Energy Range Ribbon Ion Beam Collimation Using a variable Gradient Dipole)″的姐妹篇专利申请中详细描述。

可以看出，合适直径的孔106钻通磁极板103的宽度，形成隧道。 虽然磁极103向偏转间隙107提供磁通，但是钢板中的大部分磁通 不穿过由孔106形成的空间或隧道。如先前指出的，在所述钢板内 静磁驱动势H几乎是零。因而，在低磁通级钢板中，高磁导率使所 述孔表现出对磁场的主要磁阻。在该优选实施例中，孔106远离表 面101，以便保证不影响偶极子偏转磁场的所需的形状。

适当的发生器108把氩等离子体或其它等离子体通过钢屏蔽115 注入隧道106的末端。在走过隧道的长度之后，在远端109，由泵114 把残余气体抽走。可以引入辅助阴极126，以便增大流向离子束105 的电子电流。在该优选实施例中，在源108和钢夹具115之间引入中 性粒子分离器(后面将描述)。

为了滑移等离子体和避免在壁部的过量复合，将不锈钢管120塞 进孔106。本专业的技术人员将会意识到，其它管材料，诸如石英、 玻璃或其它导电材料也可以是令人满意的。通过沿着位于管120内 或围绕管120外侧的密螺距(close-pitched)螺旋线121流通电流，沿 着管120的长度方向维持低值螺线管磁场。还可以沿着管120的中 心线设置小直径导线。这种导线上的正电位建立总是径向的电场， 使得当与螺旋线121产生的螺线管磁场耦合时，建立循环E x B漂 动，这种循环E x B漂动将在壁部的离子-电子复合减到最少。在必 须把等离子体交付给磁极的表面的位置，修改螺线管磁场，以便允 许等离子体扩张并且穿过适当的磁等离子体通道122或具有适当尺 寸形状的隙缝，用于把等离子体传给磁极的表面101。由小线圈或永 久磁铁产生的磁耦合场可以用来提供必要的B-场线，等离子体将沿 着所述B场线行进。

图2图解说明用于将空心阴极等离子体源140耦合到磁极下面的 无场区域中的方法。通过空心管143把等离子体气体(一般是氩、氪 或氙)引入到空心阴极源。在所述源的末端通过微型孔发射强等离子 体以及相当大数目的电子。在偏转偶极场区域和等离子体141区域 之间的螺旋管绕组212协助将等离子体耦合到区域122中的偏转磁 场。

图3图解说明当等离子体输送管和偶极磁场区域之间的连接区域 是狭窄的细长缝隙350而不是图1和2中所示的分离的孔时，如何 将等离子体链接到搀杂剂离子束105的细节。用于适当的带状束工 作的缝隙的重要性在于：所述带状离子束在晶片上的均匀性是关键 的，而如图2所示那样局部引入中和电子可能当带状束离子到达晶 片时在所述带状束离子中产生非均匀性。

再一次参见图3，可以看出，将所述磁极示为项101。所述旁轭 钢是102。等离子体通过其中的管是项120。不是将分离的螺线管磁 场用于按照以前描述的方式耦合穿过管120的等离子体，而是由沿 着长度方向和狭窄的耦合缝隙350的侧面设置的绕组351产生的矩 形螺线管磁场提供必要的耦合场。通过各个螺旋管线圈352的电流 不仅提供沿着管120的约束磁场，而且在各个线圈附近提供磁场分 布，所述磁场分布偏转偶极场的分量，以便与管120中的螺线管磁 场连接。

等离子体漂移到偶极场偏转区域107之后，等离子体电子受所述 偶极磁场的约束并且沿着B-场线305漂移，离开磁极。在实现链接 到正离子束势阱之前，等离子体内的正离子倾向于与电子一起移动。 但是，在到达离子束边界时，等离子体电子转移到离子束势阱并且 沿穿过离子束的磁力线被捕获，沿着磁力线在一维方向上被慢化成 热能。残余的慢正带电等离子体粒子被束电位排斥并且倾向于朝着 磁极101加速。在这里，产生二次电子，所述二次电子被向后朝着 离子束105吸引。理想的是，原始空间电荷中性等离子体现在在辅 助阴极和带电粒子束105之间提供导体。这个特征强调利用强等离 子体源，诸如Helicon的重要性。

图4图解说明涉及等离子体产生方法的细节的第二实施例。一对 径向管401，它们作为连续回路连接在一起并且位于无场缝隙中，所 述无场缝隙足够宽，足以将剩余电容保持很小。通过环绕由环形铁 氧体耦合器402激励的回路流通的电流，不断地沿着连续管401的 长度方向产生等离子体。驱动器405使电流围绕放电回路401的周 边流动，建立环绕整个回路的等离子体。沿着管401的方向磨成的 孔或缝隙允许提取等离子体。

图5图解说明设备的下磁极，所述下磁极偏转仅仅由中心轨迹和 极限射线描绘的带状离子束501。磁偏转场按照由符号530所示的方 向从页面出来。为了提供束中和以及避免过量的空间电荷扩张，在 带状束501从其中穿过的磁偏转区域内分布电子。虽然不打算进行 限制，但是，本优选实施例的磁场是离子聚焦所需要的正指数 (positively-indexed)场分布，所述场分布的强度从较小半径区域506 向较弱场较大半径区域507下降。小箭头531表示偏转偶极场的梯 度。显著的倒角508围绕所述磁极，用以产生用箭头511的方向表示 的场梯度510。倒角508的宽度应当足够宽，使得它比得上偶极子磁 间隙，虽然本专业的技术人员会认识到，25毫米的宽度通常会是足 够的。必要时，可以在磁极入口使磁场边界区域倾斜，以便提供相 对于中心束方向的正调整角(shim-angle)，以便增强从倒角边缘区域 进入主偏转区域的电子引入。

可以通过束离子本身和存在于真空系统中的残余气体原子或分子 之间的相互作用来产生束中和所需要的电子源。本专业的技术人员 将会意识到，电离型电子生产横截面在低能量条件下显著地减小。 但是，当把包含分子激励(molecular-excitation)相互作用的过程和使用 良好的电子约束包括在内时，可以产生足够的电子密度，这种电子 密度允许传输其能量低到1-2keV的硼离子而不需要加入附加的电 子。

重要的问题是通过束包线产生或捕获的那些电子的守恒。再一次 参见图5，将会看出，由于聚焦场梯度的缘故，B x gradB力使磁场 区域中的电子跨过锥形磁极面行进。B x grad B漂移矢量在所述整个 面上起作用，但是，为该图的简单起见，仅仅示出3个截面，如项512 所示。当电子到达所述磁极的远侧时，它们遭遇在场梯度方向上几 乎90度的偏移，这使漂移的电子改变方向而在由白箭头532表示的 方向上围绕区域508中的磁极的周边行进。可以在磁极的束入口处 引入小的调整角度，以便将电子重新注入到主偏转区域。还可能需 要利用导电元件520、521促进电子返回主磁场区域。这些元件具 有适当的电位(正的和负的)，以便建立基本上垂直于偏转磁场503的 电场，使E x B漂移(这种漂移促使电子移动)跨过磁力线并且进入 标记的梯度区域。本专业的技术人员将会意识到，为了避免对低能 量离子束501的干扰，电压梯度应当小并且这种限制可能小到0.1伏 /mm。因为存在偶极子偏转磁场，所以可以在整个等离子体上支持这 样的场。

再一次参见图5，可以注意到，等离子体引入隧道503穿过磁极 钢板的壳体。这种隧道被置于偶极子表面下面适当的深度处，以便 保证主偶极场不受其存在的影响。在该优选实施例中，穿过磁极沿 着管503的长度方向碾磨缝隙350，以便允许在磁极场区域中将所述 管连接到磁极表面。如前所述，把矩形偶极场产生线圈包括在所述 缝隙的壁内，或者通过利用激励电流或者通过永久磁铁，产生管等 离子体和主偶极场区域530之间的连接场。

在外部产生中和所需的等离子体，由此把等离子体引入管503。 应该指出，所述发生器(项502)可以由任何适当的等离子体源构成， 虽然在该优选实施例中所描述的源是高等离子体密度Helicon装置。 另外，图9中将说明一种方法，其中，可以包括低温抽运装置902， 用于去除大量的与所需的等离子体一起产生的中性气体。

图6示出图5中所示的横截面A-A′的细节。图中一起示出偏转 磁铁的上和下磁极101。围绕偏转磁极的整个周边加工了两个斜切 面。这些倒角的目的是要产生朝向主偏转区域530的强的径向梯度。 画出等电位511的草图，它表明：在远离倒角平面和磁极表面之间的 结的区域阱中，倒角场梯度矢量基本上垂直于边缘641；因而，电子 将倾向于沿着大致平行于边缘641的路径行进。本专业的技术人员 将会意识到，如图所示那样加工的简单的一对切口将在没有显著的 局部饱和的情况下终止所述场，并且提供适当的倒角。他们还将认 识到，通过利用适当的角度和长度，在束入口和出口区域，陡的切 断边界将与垂直部分640一致。

图7更详细地图解说明一种方法，其中，在偶极子表面上以及在 倒角区域508中安装小的永久磁铁720，以便产生减少电子损失的会 切场。设计约束条件是：(1)会切磁铁表面处的高磁场对于改善电子 反射能力是最重要的；(2)紧密的间隔避免所述会切场进入偏转区域 并干扰偶极场聚焦光学系统。在该优选实施例中，在钢板702的表 面碾磨缝隙701，缝隙701的宽度略微大于小的高磁场钕铁硼磁铁720 的宽度，各条缝隙701之间的间隔为几个毫米。把磁铁设置在钢底 板上提高了会切磁场的强度，因此改善了电子俘获。所述缝隙的深 度仅仅足以在装配期间固定所述磁铁。如图中所示那样排列磁铁 720，其中一排北极之后是一排南极。效果是：在相邻的各排之间产 生的各个偶极场仅仅进入束运动区域短的距离，因而把会切场与带 状束本身之间的磁相互作用减到最小。

可以看出，在该优选实施例中，小的屋顶形实心钢延伸部分703 被固定在每一个永久磁铁的表面上，以便增大所述尖端处的局部磁 通密度，因而改善电子俘获。

图8示出垂直于图5中所示的管503的横截面。导电圆筒805由 小的鱼珠801支持而远离磁极101的钢板，这为隧道503和导电圆 筒805的壁部之间的导线提供间隔。导线804传送沿着所述管的轴 线产生螺线管磁场的电流。鱼珠绝缘子允许把电压加在产生用于E x B运动的电场所需的中心导线210之间。

流过固定在缝隙803的壁部的一组导体804的电流产生连接磁 场，所述连接磁场允许从所述输送管中提取等离子体。

图9示出辅助低温抽运单元的细节，所述辅助低温抽运单元可能 是处理来自一个或多个等离子体发生器的附加气体负载所需要的。 工业用低温致冷机向收集结构902提供几瓦冷却，把所述收集结构 保持在低于20K的温度。辐射屏蔽905包围所述单元，以便将热负 载减到最小。为了提取这种热量，在大约70K的条件下可以使用另 外50瓦的冷却，所述另外50瓦的冷却可以用来从包围低温收集结 构902的辐射屏蔽905提取热量。收集板可以覆盖有适当的材料、 诸如椰子衍生的活性碳，用于附加抽运氢，若这是必要的话。

离开所述源的中性气体分子903不受由螺旋管绕组906产生的纵 向场的约束，因而，它们最好集中在低温收集器902上。相反，来 自源904的等离子体受由线圈906产生的磁场的约束，基本上无偏 转地通过该单元。

图10示出用于在接近磁极103的表面的低磁场区中产生二次电 子的优选实施例。可以看出，灯丝1001产生具有几百伏能量的电子。 通过加速板1002发射的高能电子1010轰击石墨收集极1003，产生 低能量二次电子，所述低能量二次电子漂移通过通道1015，在通道 1015中，它们与偏转磁场链接。可以看出，石墨板1005覆盖磁极， 以便将束互作用减到最小。