(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマが遠隔発生装置によって生成され、また
前記遠隔発生装置が、実質的に磁場フリーのチャネルを通じて前記磁極の表面に連結される方法。
【請求項２】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマが遠隔発生装置によって生成され、また
前記遠隔発生装置が、実質的に横磁場フリーのチャネルを通じて前記磁極の表面に連結される方法。
【請求項３】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマに電子を導入するステップをさらに含む方法。
【請求項４】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記ビーム経路に電荷中性原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。
【請求項５】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記導入されたプラズマの一部として前記ビーム経路に電荷中性原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。
【請求項６】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記ビーム経路に、陽電子親和力を有する原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。
【請求項７】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記イオン・ビーム内に存在する電子を、磁力線をまたいで移動させる適切な電場を、前記磁場内に追加するステップをさらに含む方法。
【請求項８】
磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ：
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアを追加するステップをさらに含む方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも１つの中に永久磁石要素を埋め込むステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記バリアが静電バリアである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
前記複数のプラズマ・エミッタが、正確に前記磁極の１つの上に配置される装置。
【請求項１２】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
前記飛行経路が、前記Ｎ磁極及びＳ磁極上に投影された前記イオン・ビームの面積を含む装置。
【請求項１３】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
実質的に磁場フリーの領域が、前記プラズマを前記磁極の前記表面に配置された前記プラズマ・エミッタへと移動させる装置。
【請求項１４】
前記実質的に磁場フリーの領域が円筒状の穴である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
導電ワイヤ・スパイラルをさらに含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記円筒状の穴の中心軸にほぼ沿って配置された、均一な直径のワイヤをさらに含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ワイヤが絶縁されており、前記ワイヤに電圧が印加される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記ワイヤ・スパイラルが、均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記ワイヤ・スパイラルが、不均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアをさらに含む装置。
【請求項２１】
前記磁極間に存在する磁場に対してほぼ直角を成す電場をさらに含む、請求項１１、１２、１３および２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも１つの中に埋め込まれた永久磁石要素をさらに含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記バリアが静電バリアを含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された２次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って２次電子を放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数の２次電子エミッタと
を含む装置において、
前記複数の２次電子エミッタが、正確に前記磁極の１つの上に配置される装置。
【請求項２５】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された２次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って２次電子を放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数の２次電子エミッタと
を含む装置において、
前記飛行経路が、前記Ｎ磁極及びＳ磁極上に投影された前記イオン・ビームの面積を含む装置。
【請求項２６】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された２次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って２次電子を放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数の２次電子エミッタと
を含む装置において、
実質的に磁場フリーの領域が、電子を前記磁極の前記表面に配置された前記２次電子エミッタへと移動させる装置。
【請求項２７】
前記実質的に磁場フリーの領域が円筒状の穴である、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
導電ワイヤ・スパイラルをさらに含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記円筒状の穴のほぼ中心軸に沿って配置された、均一な直径のワイヤをさらに含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記ワイヤが絶縁されており、前記ワイヤに電圧が印加される、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記ワイヤ・スパイラルが、均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記ワイヤ・スパイラルが、不均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素：
中央平面の周りに対称に配置されたＳ磁極とＮ磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された２次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って２次電子を放出する、前記磁極の少なくとも１つの表面に配置された複数の２次電子エミッタと
を含む装置において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアをさらに含む装置。
【請求項３４】
前記磁極間に存在する磁場に対してほぼ直角を成す電場をさらに含む、請求項２４、２５、２６および３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも１つの中に埋め込まれた永久磁石要素をさらに含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
前記磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極面をディンプル加工するステップをさらに含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３７】
前記バリアが静電バリアを含む、請求項３３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年１２月２０日に出願された名称「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｌｏｗ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈｉｇｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｒｓ」の米国特許仮出願第６０／６３７６２５号、２００４年１２月２３日に出願されたやはり名称「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｌｏｗ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈｉｇｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｒｓ」の同第６０／６３８８４８号、２００５年１月１０日に出願されたやはり名称「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｌｏｗ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈｉｇｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｒｓ」の同第６０／６４２６１２号、及び２００５年１月１９日に出願されたやはり名称「Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｌｏｗ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈｉｇｈ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｒｓ」の同第６０／６４５４５８号の優先権を主張するものであり、それらの開示全体を参照により本願に援用する。
【０００２】
本発明は、リボン・ビームを用いる低エネルギー／高電流イオン注入に使用される方法及び装置に関する。詳細には、本発明は、空間電荷破壊（ｓｐａｃｅ−ｃｈａｒｇｅ  ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）の効果を最小限に抑えるために、電子若しくは陰イオンを使用して空間電荷中和の効率を改善する。
【背景技術】
【０００３】
注入は、２０世紀の偉大なサクセス・ストーリーの１つであり、小型トランジスタ及び集積回路アレイ（ＩＣ）の生産時に使用される重要な技術となっている。注入は、ホウ素、ＢＦ２、ヒ素、リン、インジウム、及びアンチモンを含めた多くの種の荷電ドーパント原子及び分子の精密な濃度の制御導入を可能にすることによって、小型ＩＣ技術を実用的なものにしてきた。これらのドーパントは、その下に存在する半導体材料の特徴、特に、伝導度を変化させる。注入を使用した回路パターニングは、高い精度で、且つ半導体表面の下の選ばれた任意の深さで達成できるので、複雑な２次元及び３次元回路の製作を可能にする。
【０００４】
この技術が将来どこに進むことになるかを予測するには、過去の四半世紀の記録を考慮することが有用である。シリコン技術が、ますます小さいサイズのチャネル長及びゲート酸化物厚の方向へと絶えず進んでおり、また、しばしば「ムーアの法則（Ｍｏｏｒｅ’ｓ  Ｌａｗ）」と呼ばれるムーアの意見が、ここ数十年間でＩＣトランジスタ密度の倍増時間が１２〜１８ヶ月になったことを示すことがわかる。この傾向は、より小さくより高速のデバイスの生産を原動力として、少なくともさらに１０年間続くと予測される。このような改善を達成するには、ＩＣの横寸法及び深さ寸法のサイズを縮小しなければならず、また３次元回路の包括的な開発が不可欠となることがある。このことによって、ＩＣ設計者は、イオン注入技術をより高いドーパント電流、より低い注入エネルギー、及び被加工品における入射角度制御の改善に向かって推進させてきた。角度制御は、チャネリング効果を最小限に抑え、斜め注入を適正に実行するために不可欠である。要約すると、この技術の未来は、有望に思われ、注入が長期にわたって我々とともにあることになると予測される。
【０００５】
注入されたドーパント原子が止まる半導体結晶内の深さは、入ってくるドーパント・イオンのエネルギーによって決定される。ゆえに、注入エネルギーの選択の柔軟性は、注入ツールの成功に不可欠な特徴である。しばしば、ＩＣ製造業者は、比が１００００を超える、約２５０ｅＶ〜３０００ｋｅＶの間のいずれかの範囲のドーパント・エネルギーを必要とする。ドーパント・ビーム電流が、もう１つの重要なパラメータであり、有用なドーパント電流は、１マイクロアンペア程度の小さいものとすることができるが、他の用途では３０ミリアンペアを超えることもできる。
【０００６】
より高い電流レベルでは、ドーパント・イオン間の反発的な空間電荷力が作用し始める。結果として生じる、リボン・ビーム形状に対する破壊効果は、イオン・エネルギーが低いとき、また荷電ドーパント原子が偏向磁場を通過するときに、特に厄介である。結果として生じるビームの拡大は、壁への許容しがたいイオン損失と、適正な操作に必要なイオン集束の低下とを引き起こす虞がある。しかし、自然は優しく、ビームへの電子及び陰イオンの導入によって、また、不完全な中和を補う調節可能な補助集束要素を用いても、相殺する空間電荷力が可能となる。
【０００７】
これだけに限るものではないが、一般に「高電流ツール」と呼ばれる特殊なクラスの注入装置が、本特許の開示の中心的主題である。このクラスは、適正な操作のためにはビーム中和が不可欠なほどにイオン強度が高い機械と定義され、空間電荷中和及び適正な操作のためには電子若しくは陰イオンを加速されたビームに添加しなければならない。
【０００８】
ほとんどの高電流注入装置の特徴には、（ｉ）短い光路長、（ｉｉ）断面ビーム寸法が大きくなる傾向にあること、（ｉｉｉ）空間電荷中和のために低エネルギー電子が導入されること、（ｉｖ）すでにドーパント・ビーム内に捕獲されている中和作用のある電子の保存、（ｖ）残留破壊力とマクスウェル電子分布の高エネルギー電子トランケーションとを相殺するための能動的集束が含まれる。
【０００９】
高電流注入装置の改良は、リボン・ビーム技術の導入であった。この際、被加工物に到着するイオンは、イオン・ビームの下をウエハが通過するときに被加工物を一様に被覆するストライプに構成される。単一ウエハ注入装置の場合、ウエハは、単に、入ってくるリボン・ビームの下を単一次元に沿って移動するだけでよいので、エンド・ステーションの機械設計を大幅に単純化し、横方向の電磁走査の必要をなくしており、正しく形状設定されたリボン・ビームを使用すると、ウエハが単一次元を通過することによって、被加工品全体にわたって一様なドーズ密度が可能となる。重要な特徴は、スループットを高くすることができ、またそのスループットが２次元の機械式走査を用いるエンド・ステーションのウエハ走査能力によって制限されないことである。原則として、リボン・ビームの概念は、最大ウエハ・サイズだけに制限されず、４５０ｍｍのウエハを２００ｍｍ又は３００ｍｍのウエハと同一の速度でシステムに通過させることができる。ただし、直流（Ｄ．Ｃ．）リボン・ビーム技術自体に、特に低エネルギー・イオン・ビーム生成時に、特別な問題があることを強調しておく。これらの問題には、大きな横寸法を有するビームの空間電荷中和が困難であることが含まれる。
【００１０】
低エネルギー・ビームに対する空間電荷の影響を実証するには、電流密度Ｊを有する有向イオン・ビームについて検討することが有用である。このようなビームは、エネルギーとは無関係に、一定時間内に単位面積当たり特定のドーズ量を生み出す。単純な幾何学を使用すると、このような定電流ビームが、ビーム・イオンの速度に反比例する、単位体積当たりの電荷を有することがわかる。ゆえに、ビーム電荷密度Ｑは、イオン・エネルギーの平方根に反比例する：
Ｑ  ＝  Ｊ／（２ｅＵ／Ｍ）１／２          （１）
【００１１】
ここで、ｅは電子電荷、Ｕはイオン・エネルギー、Ｍはイオン質量である。
【００１２】
イオン・ビーム内では、空間電荷密度Ｑによって発生した電場の結果として径方向加速度が生み出される。これらの電場は、エネルギーの平方根とは逆に大きくなるが、ビーム電流密度が減少するにつれて小さくなるので、幅の広いビームが最良であることが示唆される。ビームの対称性ゆえに、ビームの中心には電場が存在せず、空間電荷に起因した破壊力は、中心からの距離とともに増大する。単純なニュートン力学に基づくさらなる計算で、実験室で見られる物理的なビームの拡大が、１／Ｕ３／２に比例することが実証される。これは、説得力のある法則である。
【００１３】
実際には、空間電荷の効果は、約１５ｋｅＶ未満のエネルギーで顕著になり始める。ゆえに、高エネルギー及び低エネルギー（例えば、１５ｋｅＶ及び２５０ｅＶ）の両方で動作することになる注入装置の設計に努めるときには、空間電荷の効果によって問題が大幅に複雑になる。
【００１４】
低エネルギー・イオンを生成するために減速が使用される場合、ビーム幅拡大へのさらなる寄与が生じる可能性がある。イオンが減速されるときに起こる必然的な位相空間の拡大は、壁へのイオン損失をさらに悪化させ、その際、全体的な効果は、ビームの外形寸法が実際に１／Ｕ２に比例して、場合によってはさらに速く増大することである。
【００１５】
より高いエネルギーで、且つゼロ磁場領域（ドリフト空間）では、空間電荷の望ましくない効果を相殺する一般的な技術は、高速のビーム・イオンと真空系内に存在する残留分子及び原子との間の相互作用によって生成される低エネルギー電子で、その領域を満たすことである。これらの電子は、後述する、（２）と表示された反応を使用して、ビーム自体の内部で生成される。電子が実際にビーム自体の内部で生成されるので、それらの電子をイオン・ビーム境界内で捕獲することができる。実際には、このメカニズムによって、ビーム・エンベロープへの中和作用のある電子の導入と、ビームの静電電位井戸から脱出する高エネルギー・マクスウェル電子の損失との間に、空間電荷平衡を確立できるようになる。
【００１６】
得られる中和度が、イオン・ビーム内のランダム・ノイズのレベルによって決まることを強調すべきである。イオン出力の瞬間的な減少は、回復に約３０マイクロ秒を要することのある、中和作用のある電子の急激な損失を引き起こす虞がある。深刻な場合には、ビームが不安定又は「ハッシー（ｈａｓｈｙ）」になることがある。ただし、ソースが「静か（ｑｕｉｅｔ）」である、すなわち、低ノイズのビームを生成する場合、また十分な２次電子束が利用可能な場合、部分中和が９９％、場合によってはそれ以上になる可能性があるが、残りの１％でも、非常に低いエネルギーにおいてビームの顕著な発散を誘発する可能性があり、またビーム損失を避けるために補償的な補助集束が必要になり得ることに留意すべきである。
【００１７】
中和作用のある電子を発生させるには、２つの原子反応が重要である：
（ｉ）電離衝突：より高いエネルギーでは、電子を発生させる最も重要な反応は、真空環境内で、高速ビーム・イオンＩ＋と残留分子若しくは原子Ｒ０との間の相互作用によって、荷電した残留ガス分子Ｒ＋と、さらに自由電子とを生成するものである：
Ｉ＋＋Ｒ０  ＞  Ｉ＋＋Ｒ＋＋電子          （２）
Ｒ０の電子結合を切断するために必要なエネルギーは、ビーム自体からもたらされており、したがって、脱出の確率を小さくすることのできる、ビームの電位井戸内での低エネルギー電子の発生を可能にしている。エネルギー５ｋｅＶでホウ素イオンによって誘発されるこのタイプの反応の断面積は、約１０−１６ｃｍ２であるが、この断面積は、イオンのエネルギーがゼロへと減少するにつれて劇的に縮小する。導入された電子は、エネルギー移動及び熱化を引き起こす可能性のある衝突を伴う様々な軌道で、ビームの周り及びビーム内を旋回する。電子エネルギー分布は、ビーム井戸の深さよりも大きいエネルギーを有する該分布内の電子が脱出して、急速にマクスウェル分布となる。数ｋｅＶ未満のビーム・エネルギーの場合、電子を生成する断面積が、空間電荷力が増大していくのと同時にゼロへと縮小するので、この電離プロセスは、次第に有用ではなくなる。
（ｉｉ）電荷交換衝突：第２の電子生成プロセスは、電荷を交換することによって、ただし自由電子を生成せずに残留ガス分子若しくは原子Ｒ０から電子を獲得する、高速ビーム・イオンＩ＋に関わるものである：
Ｉ＋＋Ｒ０  ＞  Ｉ０＋Ｒ＋
ゆえに、形成された低速の荷電イオンＲ＋に加えて、高速の中性粒子Ｉ０の集団が存在しており、この集団は、程度の差はあるものの、それらの高速の親イオンと同一の方向に沿って進み続ける。これらのタイプ（ｉｉ）の衝突の断面積は、タイプ（ｉ）の断面積よりもはるかに大きく、測定された最低エネルギーまで大きいままである。
【００１８】
ただし、前述のように、タイプ（ｉｉ）の反応は、タイプ（ｉ）のようにビーム内では電子を発生させず、２次電子は、高速の中性粒子Ｉ０が壁又は磁極にぶつかる場所でしか生成されず、そのぶつかる場所でそれら中性粒子Ｉ０が２次電子を生成し、次いでそれら２次電子をイオン・ビームによって捕捉することができる。ビーム内で形成された低速の残留陽イオンＲ＋は、反発されるが、これらもまた壁にぶつかるときに２次電子を生成する。ただし、ビームによる捕捉は、幾何学形状に左右され、以上のタイプ（ｉ）のプロセスも、（ｉｉ）のプロセスも、式（１）に示した電荷密度Ｑに合致するように必要な中和密度を増大させなければならない低いエネルギーにおいて中和作用のある電子を発生させる、信頼性の高い方法を提供しない。
【００１９】
磁場内の中和
イオン・ビームが磁場を通過するときには、低いエネルギーでは中和がさらに困難となる。タイプＩの反応［式（２）］の断面積が小さくなるだけでなく、利用可能となる中和作用のある電子は、いずれも磁力線に従わざるをえない。この磁力線では、電子は、磁場の方向に沿って高い移動性を示すが、直角方向の移動性は、ゼロに近い。その結果、すぐそばのドリフト領域から低エネルギー電子を導入することによって磁場内の空間電荷を中和することは、非実用的となる。
【００２０】
米国特許第６５１５４０８号のＪ．Ｇ．Ｅｎｇｌａｎｄら、及び米国特許第６７６２４２３号のＲ．Ｂ．Ｌｉｅｂｅｒｔらは、磁場内の空間電荷中和のために電子を提供する方法及び装置を記載している。どちらの開示でも、中和作用のある電子は、磁極の表面全体に分布されたフィラメント源から生成される。磁極の表面で生成された電子は、即座に磁力線に接近できるので、ビーム領域への容易な通過をもたらす。米国特許第６５１５４０８号の場合、追加の電子放出フィラメントが磁極全体にわたってアーチ状パターン及び放射状パターンで分布されており、電子を壁から遠くへと反射するためにフィラメントの後方に静電反発シールドが含められており、電子生成のために炭素フィラメントが使用されて、高融点金属からの汚染を最小限に抑えている。一部のビームでは、７０ｅＶ程度の高いエネルギーが使用されており、これは、ほとんどの部分中和された空間電荷井戸の深さよりもかなり大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
第’４２３号特許及び第’４０８号特許で提示された方法の重要な問題は、中和電子が局所的ゼロ電位よりも高いエネルギーでビーム空間電荷井戸に進入することである。したがって、はるか遠くで発生したゼロ・エネルギー電子でさえ、ビームを通じて加速されて他の側から出ていく傾向にあり、捕獲されないので、捕獲を達成するのは困難である。ビーム内での非弾性又は弾性の電子−電子衝突だけが、そのような電子の捕獲をもたらすことができる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本開示では、局所的グラウンド電位とイオン・ビームの電位井戸との間の低インピーダンス伝導路として、荷電したアルゴン、キセノン、又はクリプトン・イオンから成るプラズマを使用して、磁場内で中和が達成される。この輸送を達成する２つの実施例について説明する。第１の実施例は、磁気偏向装置の磁極の下の磁場フリー領域に関わる。第２の実施例は、磁場フリー領域からの電子の導入に関わる。
【００２３】
プラズマ導入すると、電子の経路は、磁場によって拘束され、低速で重いプラスの粒子とともに磁極から流れ出るが、これらプラスの粒子は、磁場による影響を受けず、そのまま進む。ビームの境界に到達したら、プラズマ電子は、それらの忠誠（ａｌｌｅｇｉａｎｃｅ）を変化させ、もとの運動エネルギーを維持したままビーム内に捕獲される。プラズマから離れた陽イオンは、ビーム電位によって反発され、磁極に向かって加速し、磁極でさらなる２次電子を生成し、次いでそれら２次電子がイオン・ビームに向かって引き付けられ、磁力線に沿って戻る。磁極とビームの境界との間には、大きな電子電流をビーム領域へと輸送できるプラズマ結合が確立される。
【００２４】
さらに、２次電子を使用して必要な中和をもたらす技術について説明する。一般に、これらは、炭素やケイ素などの標的に衝撃を与えて、磁極の下の領域からビームへと導入される低エネルギー２次電子を生成する、より高エネルギーの電子源に関わる。
【００２５】
本開示では、高強度／低エネルギーのイオン・ビームに電子をうまく入射させるために必要な６つのステップを達成する方法及び装置を提示する。これらには、次が含まれる：
１．局所的グラウンドとイオン・ビームとの間に低インピーダンス結合経路を作り出す、適切なプラズマ源
２．イオン電流が電子電流に等しくなければならないというプラズマ源の限界を克服する、補助電子源
３．イオン・ビーム電位井戸への電子の輸送
４．イオン・ビーム電位井戸内での電子の捕獲
５．イオン・ビームの他の部分への電子の分配
６．捕獲された電子の保存
【００２６】
プラズマ発生装置
様々なプラズマ発生装置の設計を選択できることが当業者には認識されるが、好ましい実施例では、適切なプラズマ発生装置としてヘリコン放電の幾何学が選択されている。このタイプの放電の詳細は、Ｎｏｙｅｓ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ出版、Ｏｌｅｇ  Ａ．  Ｐｏｐｏｖ編集の「Ｈｉｇｈ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅｓ」と題する本の１〜７５ページで、Ｆ．Ｆ．Ｃｈｅｎによって論じられている。ヘリコン幾何学を魅力あるものにする特徴は、低圧操作、高いイオン対密度、閉じ込めチャネルへの有用なプラズマ入射、放電管内に内部電極が存在しないこと、及び制御可能な電子エネルギー分布である。
【００２７】
記載される第２の実施例は、前述の多様なヘリコン形態の代わりにホロー・カソード源を使用する。ホロー・カソード・デバイスの長所は、それらの直径が小さいので、プラズマ源を使用場所の近くに配置可能になることである。また、該デバイスが、多数の電子を生成する供給源となり得ることである。
【００２８】
中和作用のある電子を導入するためにプラズマ輸送を使用するときに対処しなければならない重大な問題は、望ましくないガスの処分であり、これは、プラズマ発生プロセスの固有部分である。非常に速いポンピング・スピードが必要であり、従来のポンプ幾何学では、タービン・ポンプ又は極低温ポンプの使用は、通常、ポンプをチャンバへと結合させる配管の真空インピーダンスによってコンダクタンス制限されている。
【００２９】
プラズマ発生装置に導入されるアルゴン、クリプトン、キセノンなどのガスの非常に高速の捕集をもたらすために適用できる、極低温冷却を使用する新規方法について説明する。
【００３０】
補助電子の生成
内部フィラメントのない、ヘリコンなどの封止プラズマ源では、電子の生成は、イオン生成速度に等しい。抽出速度は、出口開孔面積と低速のイオン・スピードとによって制限される。ただし、イオン・ビームへのブリッジ結合が確立された後には、銅線の動作に類似した方式で、より高い電子電流を局所的グラウンドとイオン・ビームとの間で運ぶことができる。直熱タングステン若しくはモリブデン・フィラメント、傍熱カソード、又は加熱されたＬａＢ６を含め、様々な補助供給源を使用して電子電流の流れを増大させることができることが、当業者には認識されよう。
【００３１】
プラズマ及び電子の輸送
電子が磁力線に沿って進むので、プラズマ輸送領域内では最小の横磁場が望ましい。かなりの横成分が存在する場合、電子は、輸送領域の壁のところで失われることになる。この要件を満たすために、アルゴン又は他の適切なプラズマが、偏向磁気双極子の鋼鉄柱の下面を貫く穴を通じて誘導される。そのような穴の内部は、ビーム偏向双極子磁束Ｂ０が非常に大きいとしても、低磁場領域である。この磁束は、鋼鉄内を通って穴の周りを通過しており、その際、磁場は、穴によって作り出された開口部を横切るのを避ける傾向にあり、周囲の高透磁率の鋼鉄内を通って穴の周りを通過する。穴の中では残留磁束Ｂ０／μがゼロに近い。ここで、Ｂ０は、イオン・ビームを偏向させるために必要な磁束の強度に近く、μは、鋼鉄の比透磁率であり、通常約２０００である。さらなるミューメタル・シールドを含めることによって磁場をほぼゼロへと低減できることが、当業者には認識されよう。このような非磁性領域は、特にソレノイド場が鋼鉄を通り穴に沿って確立される場合に、中和されたプラズマを、横磁場からの干渉なしにその中に誘導できるチャネルを提供する。そのような非磁性領域は、また、横磁場からの干渉なしに小径のホロー・カソード源を操作できる領域も提供する。穴の軸に沿った集中を保証するために、密に巻かれた導電スパイラルを管の内側に沿って組み込むことによって、ソレノイド磁場を導入することができる。
【００３２】
ビーム内の分布
本開示で対処される重要な１つの問題は、電子をイオン・ビームの体積内で移動させ、それらの電子が導入されるスポットの近くに電子を集中させない方法である。この必要な動きは、Ｂ×ｇｒａｄＢに結び付けられた磁場領域の縁部の周りのＥ×Ｂ電子ドリフトと、曲率ドリフトとを用いて達成される。これらのプロセスの詳細は、１９８３年にＰｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓによって出版されたＦ．Ｆ．Ｃｈｅｎ著の「Ｐｌａｓｍａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｆｕｓｉｏｎ」と題する本の２３〜３０ページで論じられている。
【００３３】
電子の保存
中和作用のある電子が適所に移動された後には、それらの電子が容易に脱出しないことが重要である。中和作用のある電子の損失を避けることが重要である。この重要性は、１つには、イオン源の不安定性に起因する。中和作用のある電子の即時損失を防ぐ方法がない場合、イオン源出力強度が低下すると、即座に空間電荷中和を失うことになる。実際には、損失は急速に起こるが、中和の再確立にはより長い時間がかかり、回復時間が通常３０マイクロ秒の大きさであることが報告されている。
【００３４】
電子の保存
強い電子反射を生み出すために磁極に埋め込まれた永久磁石の構成を使用する、磁束がそこに集中する傾向にある偏向磁石の磁極上への局所的な集中点の形成。その効果は、局所的な磁束集中と、北極光（Ａｕｒｏｒａ  Ｂｏｒｅａｌｉｓ）内の電子軌道に類似した電子捕獲とをもたらす。
【００３５】
他の実施例
また、電子の直接使用に基づいて中和作用のある電子を提供する、他の一実施例について説明する。電子は、偏向磁石の１つの極上に配置され、かつイオン・ビームの下方に配置された、大面積電界放出カソードの形態に製作された電界エミッタによって発生させることができる。ただし、プラズマディスプレイ・テレビジョン管で使用される封止カソードとは異なり、ここに開示のカソードは、イオン・ビーム・スパッタリングによってさらに鋭利にされた、小径のステンレス鋼製皮下注射器チュービング（ｈｙｐｏｄｅｒｍｉｃ  ｔｕｂｉｎｇ）の比較的長い部分から形成されるという、独特の特徴を有する［この構成の理由は、ホウ素ビームとＢＦ２イオンとの生成に必要な、イオン源でのＢＦ３ガスの使用によって生じるフッ素が、注入装置の真空系内に常に存在することである。その効果は、低電圧（約１０ボルト）で電界放出をもたらすために必要な鋭い先端が、腐食によって急速に損傷されることである］。アルゴン又は他の適切なガスの小さな流れが、エミッタをフッ化物の腐食効果から保護する。固体カソードではなく長い管を使用すると、信頼できる高流量インピーダンスをガス流ラインに導入できるようになる。
【００３６】
偏向磁石の磁極面に近い表面から放出される低エネルギー２次電子を提供する第２の方法は、電子放出のためにタングステン及びモリブデン・ワイヤの加熱フィラメントを使用する。このようなフィラメントは、実質的に磁場フリーの領域に配置されて、ほんの短い距離だけを進んでから黒鉛若しくは他の適切な材料から製造された２次放出カソードに当たる電子を生成する。幾何学形状は、発生される２次電子が偏向磁力線に容易に結び付くようなものとすべきである。
【００３７】
また、残留真空の原子及び分子との相互作用によって低エネルギー電子を生成するために、アルゴンやキセノンなどのイオン種の、外部の高エネルギー・ビームを使用する方法も提示する。
【００３８】
本発明をよりよく理解するために、参照によって本明細書に組み込まれた添付図面を参照する。
【実施例】
【００３９】
図１は、偏向磁石の磁極の断面を示す。磁極面１０１を実際にその下に存在する磁気リターン・ヨーク１０２の一部とすることができることが当業者には認識されるが、好ましい実施例では、磁極１０３の表面は、真空チャンバ１０４の外側ではなく真空チャンバ内に配置される。磁場は、コイル１１２によって生み出される。これによって、大気の力に耐えるために厚い壁を必要とする幅広の真空エンベロープのために距離を無駄にすることなく、磁極をイオン・ビーム１０５の軌道に必要なだけ近づけることができる。Ｋｅｎｎｅｔｈ  Ｈ．  Ｐｕｒｓｅｒ及びＮｏｒｍａｎ  Ｌ．  Ｔｕｒｎｅｒによる名称「Ｂｒｏａｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒａｎｇｅ  Ｒｉｂｂｏｎ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｄｉｐｏｌｅ」のコンパニオン特許出願（ｃｏｍｐａｎｉｏｎ  ｐａｔｅｎｔ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）に詳述される表面巻線を使用して、能動的に変化する磁場を導入することができる。
【００４０】
さほど直径の大きくない穴１０６が磁極板１０３の幅を貫いて開けられて、トンネルを画定していることがわかる。磁極１０３は、偏向ギャップ１０７に磁束を提供するが、鋼鉄内の磁束のほとんどは、穴１０６によって画定された空間又はトンネルには侵入しない。前述のように、静磁気駆動電位Ｈは、鋼鉄内ではほとんどゼロである。ゆえに、低い磁束レベルでは、鋼鉄の高い透磁率によって、穴が磁場に対して主磁気抵抗を示すようになる。好ましい実施例では、双極子偏向磁場の望ましい形状が影響を受けないよう保証するために、穴１０６は、表面１０１から遠く離れている。
【００４１】
適切な発生装置１０８は、アルゴン・プラズマ又は他のプラズマを、鋼鉄製シールド１１５を通じてトンネル１０６の端部へと入射させる。トンネルの長さを進んだ後、残留ガスは、ポンプ１１４によって遠隔端１０９のところで汲み出される。イオン・ビーム１０５への電子電流の流れを増大させるために、補助カソード１２６を導入することができる。好ましい実施例では、後述する中性粒子スキマーが、供給源１０８と鋼鉄製クランプ１１５との間に導入される。
【００４２】
プラズマをドリフトさせ、壁のところでの過剰な再結合を回避するために、ステンレス鋼管１２０が穴１０６に滑入される。また、水晶、ガラス、他の電気伝導性材料など、他の管材料も満足のいくものとなり得ることが、当業者には認識されよう。管１２０内又は管１２０の外側の周りに配置された狭ピッチ・スパイラル１２１に沿って電流を流すことによって、値の小さいソレノイド磁場が、管１２０の長さに沿って維持される。また、小径ワイヤを、管１２０の中心線に沿って配置することができる。このワイヤ上の陽電位が、常に放射状の電場を確立しており、したがって、スパイラル１２１によって生み出されたソレノイド磁場と結び付くと、壁のところでのイオン−電子再結合を最小限に抑える循環Ｅ×Ｂドリフトが生み出される。プラズマが磁極の表面へと放出されるはずの場所では、プラズマを拡大させ、且つ適切な磁気プラズマ・チャネル１２２に、又はプラズマを磁極の表面１０１へと通すのに適したサイズの形状を有するスロットにプラズマを通過させることができるように、ソレノイド場が修正される。小さいコイル又は永久磁石によって生み出される磁気結合場を使用して、プラズマがそれに沿って進むことになる必要な磁力線を提供することができる。
【００４３】
図２は、磁極の下の磁場フリー領域へとホロー・カソード・プラズマ源１４０を結合させる方法を示す。プラズマ・ガス、通常はアルゴン、クリプトン、又はキセノンが、中空管１４３を通じてホロー・カソード源に導入される。強力なプラズマ１４１が、供給源の端部にあるきわめて小さい孔を通って相当な数の電子とともに放出される。偏向双極子磁場の領域とプラズマ１４１の領域との間のソレノイド巻線２１２が、領域１２２内でプラズマを偏向磁場２０２に結合させるのを助ける。
【００４４】
図３は、プラズマ伝送管と双極子磁場領域との間の連結領域が、図１及び２に示した不連続の穴ではなく、狭く細長いスロット３５０であるときに、プラズマをドーパント・イオン・ビーム１０５にどのように結び付けることができるかを示す詳細図である。適切なリボン・ビーム操作のためのスロットの重要性は、ウエハのところでのリボン・イオン・ビームの均一性がクリティカルであること、並びに、図２に示した中和作用のある電子の局所的な導入が、リボン・ビーム・イオンがウエハに到着するときのそれらリボン・ビーム・イオンの不均一性の原因となり得ることである。
【００４５】
再び図３を参照すると、磁極がアイテム１０１として示されていることがわかる。リターン・ヨーク鋼鉄は、１０２である。プラズマがその中を通る管は、アイテム１２０である。前述のように管１２０内を通るプラズマを結合させるために不連続のソレノイド場を使用するのではなく、狭い結合スロット３５０の長さ及び側部に沿って配置された巻線３５１によって生み出される長方形ソレノイド場が、必要な結合場を提供する。個々のソレノイド・コイル３５２を流れる電流は、管１２０に沿って閉じ込め磁場を提供するだけでなく、また、双極子場の成分を偏向させて管１２０内のソレノイド場と接合させる磁場分布も個々のコイルの近くに提供する。
【００４６】
プラズマが双極子場偏向領域１０７へとドリフトした後、プラズマ電子は、双極子磁場によって拘束されて、磁力線３０５に沿って磁極から流れ出る。陽イオン・ビーム電位井戸との結合が達成されるまで、プラズマ内の陽イオンは、電子とともに動く傾向にある。ただし、イオン・ビームの境界に到達したら、プラズマ電子は、イオン・ビーム電位井戸へと移り、イオン・ビームを通過する磁力線に沿って捕獲され、磁力線に沿った一方向で熱化する。プラスに荷電した残りの低速のプラズマ粒子は、ビーム電位によって反発され、磁極１０１に向かって加速する傾向にある。ここでは、２次電子が生成され、次いでそれら２次電子が、イオン・ビーム１０５に向かって引き付けられて戻る。理想的には、もとの空間電荷中性プラズマが、この時点で補助カソードと荷電粒子ビーム１０５との間に伝導体をもたらす。この特徴は、ヘリコンなど、強力なプラズマ源を使用する重要性を強調している。
【００４７】
図４は、プラズマ発生のための方法の詳細に関する第２の実施例を示す。１対の径方向管４０１が、連続回路として１つに連結され、残留キャパシタンスを小さく保つのに十分に幅広な磁場フリー・スロット内に配置される。プラズマは、トロイダル・フェライト・カップラ４０２によって電圧を印加されたループを循環する電流によって、連続管４０１の長さに沿って絶えず生成される。ドライバ４０５は、放電回路４０１の周囲に電気電流を流れさせて、ループ全体の周りにプラズマを生み出す。管４０１に沿った穴又はスロット・グラウンドによって、プラズマを抜き出すことができる。
【００４８】
図５は、中心軌道及び最も端の光線（ｅｘｔｒｅｍｅ  ｒａｙｓ）だけによって描かれたリボン・イオン・ビーム５０１を偏向させる装置の下側の磁極を示す。磁気偏向場は、紙面から記号５３０によって示される方向に出てくる。ビーム中和をもたらし、過度の空間電荷膨張を避けるために、リボン・ビーム５０１がその中を通る磁気偏向領域内に電子が分配される。これだけに制限しようとするものではないが、磁場のための好ましい実施例は、より小さい放射状領域５０６から、より磁場の弱い、より大きい放射状領域５０７へと強度が低下する、イオン集束に必要なプラスのインデックス付き磁場分布である。小さい矢印５３１は、偏向双極子場の勾配を示す。十分な面取り部５０８が、矢じり５１１の方向によって示された磁場勾配５１０を生み出す磁極を取り囲む。面取り部５０８の幅は、双極子磁気ギャップに匹敵するほど十分に幅広なものとすべきであるが、通常は２５ｍｍの幅で十分であることが当業者には認識されよう。必要ならば、面取りされた縁部領域から主偏向領域への電子の導入を向上させるために、磁極への入口のところの磁場境界領域に、中心ビーム方向に対してプラスのシム角度（ｓｈｉｍ−ａｎｇｌｅ）をもたらすように角度を付けることもできる。
【００４９】
ビーム中和に必要な電子源は、ビーム・イオン自体と、真空系内に存在する残留ガス原子若しくは分子との間の相互作用によって生み出すことができる。電離タイプの電子生成断面積が、低エネルギーでは大幅に縮小することが、当業者には認識されよう。しかし、分子励起相互作用を含むプロセスと良好な電子閉じ込めの使用とが含まれるときには、追加電子を加える必要なしに１〜２ｋｅＶ程度の低いエネルギーを有するホウ素イオンを輸送できる、十分な電子密度を生み出すことができる。
【００５０】
重要な問題は、生成された電子、又はビーム・エンベロープによって捕捉された電子の保存である。再び図５を参照すると、集束する磁場勾配が存在するので、Ｂ×ｇｒａｄＢの力が、磁場領域内の電子を、テーパした磁極面を横切って進ませることがわかる。Ｂ×ｇｒａｄＢドリフト・ベクトルは、磁極面全体に作用するが、図を簡単にするために、３つの区分だけがアイテム５１２として示されている。電子が磁極の向こう側に到達するとき、それらの電子は、磁場勾配方向のほぼ９０度のシフトを起こし、そのシフトが、ドリフトしつつある電子の方向を変化させ、それらの電子を、領域５０８内で白い矢印５３２によって示される方向で磁極の周囲を進ませる。電子を主偏向領域に再入射させるために、磁極へのビーム入口のところに小さいシム角度を導入することができる。また、電気伝導性要素５２０、５２１を使用して、電子が主磁場領域に戻るのを促進する必要がある場合もある。これらの要素は、偏向磁場５０３に対してほぼ直角を成す電場を確立して、磁力線をまたいで電子を移動させてインデックス付き勾配領域に到達させるＥ×Ｂドリフトを引き起こすように、適切な電位（プラス又はマイナス）を有する。低エネルギー・イオン・ビーム５０１に対する外乱を避けるために、電圧勾配を小さくすべきであり、この制限が０．１ボルト／ｍｍ程度に小さくなり得ることが、当業者には認識されよう。双極子偏向磁場が存在するので、プラズマを横切るこのような磁場を支持することができる。
【００５１】
再び図５を参照すると、プラズマ導入トンネル５０３が磁極鋼鉄の主要部を通過していることに気付く。このトンネルは、主双極子磁場がそのトンネルの存在によって影響を受けないことを保証するために、双極子表面の下の適切な深さに埋められている。好ましい実施例では、磁石−双極子場領域内で管と磁極面との連結を可能にするために、スロット３５０が管５０３の長さに沿って磁極内にミル加工される。前述のように、管プラズマと主双極子場５３０の領域との間に結合磁場を生み出すために、有効電流（ａｃｔｉｖｅ  ｃｕｒｒｅｎｔｓ）を用いて、又は永久磁石によって、長方形の双極子場発生コイルがスロットの壁内に含められる。
【００５２】
中和に必要なプラズマは、外部で発生され、そこから管５０３へと誘導される。発生装置、すなわちアイテム５０２は、いずれか適切なプラズマ源から成るものとすることができるが、好ましい実施例では、ここに記載の供給源が高プラズマ密度ヘリコン・デバイスであることに留意すべきである。さらに、図９では、望ましいプラズマとともに生成される中性ガスの大半を除去するために、極低温ポンピング装置９０２を含めることのできる方法について説明する。
【００５３】
図６は、図５に示した断面Ａ−Ａ’の詳細を示す。偏向磁石の上側及び下側磁極１０１が、ともに示されている。偏向磁極の周囲全体に、２つの面取り部が切削される。これらの面取り部の目的は、主偏向領域５３０に向かって強い放射状勾配を生み出すことである。等電位５１１の略図が描かれていて、面取り部平面と磁極面との間の接合部から十分に離れた領域では、面取り部の磁場勾配ベクトルが縁部６４１に対してほぼ直角を成しており、したがって、電子が縁部６４１にほぼ平行な経路に沿って進む傾向にある様子を示している。ここに示したように作られた単純な１対の切削部６３０、６３１が、さほどの局所的飽和なしに磁場を終了させ、適切な面取り部を提供することが、当業者には認識されよう。また、ビームの入口及び出口領域では、適切な角度及び長さを用いることで、はっきりした切断境界が垂直断面６４０と一致することになることも、当業者には認識されよう。
【００５４】
図７は、電子損失を低減するカスプ磁場を生み出すために、小さい永久磁石７２０が面取り部領域５０８内で双極子表面上に据え付けられる方法を、より詳細に示す。設計制約は、（１）カスプ磁石の表面における高磁場が、電子反射能力の改善に不可欠であること、（２）狭い間隔が、カスプ磁場がビーム偏向領域に到達して双極子場集束光学系を撹乱するのを防ぐことである。好ましい実施例では、小さな高磁場ネオジム−鉄−ホウ素磁石７２０の幅よりもわずかに幅の広いスロット７０１が、列間に数ミリメートルの間隔をあけて鋼鉄シート７０２の表面にミル加工される。鋼鉄基材上に磁石を配置すると、カスプ磁場の強度が高まり、したがって電子捕獲が改善される。スロットの深さは、組立ての間磁石を固定するのに十分な深さでしかない。磁石７２０は、ここに示したように、Ｓ極の列がＮ極の列の隣にくるように配置される。その効果は、隣接列間に生み出される個々の双極子場がビーム運動の領域には短い距離しか到達しないので、カスプ磁場とリボン・ビーム自体との磁気相互作用が最小限に抑えられることである。
【００５５】
好ましい実施例では、先端における局所的な磁束密度を増大させ、電子捕獲を改善するために、小さな屋根形の中実の鋼鉄拡張部７０３が、各永久磁石の表面に取り付けられることがわかる。
【００５６】
図８は、図５に示した管５０３に垂直に交わる断面を示す。トンネル５０３の壁と伝導性シリンダ８０５との間にワイヤのための間隔を提供する、小さなフィッシュビーズ（ｆｉｓｈ−ｂｅａｄｓ）８０１によって、伝導性シリンダ８０５が磁極１０１の鋼鉄から離して支持される。ワイヤ８０４は、管の軸に沿ってソレノイド場を発生する電流を流す。フィッシュビーズ絶縁によって、Ｅ×Ｂ運動に使用される電場を生み出すために必要な電圧を中心ワイヤ２１０間に印加することができる。
【００５７】
スロット８０３の壁に留め付けられた伝導体群８０４を流れる電流が、プラズマを伝送管から抜き出せるようにする結合磁場を生み出す。
【００５８】
図９は、（１つ若しくは複数の）プラズマ発生装置からの追加のガス負荷を扱うのに望ましい可能性のある、補助極低温ポンピング・ユニットの詳細を示す。市販の極低温冷凍機は、コレクタ構造９０２に数ワットの冷却をもたらし、その温度を２０Ｋ未満に維持する。熱負荷を最小限に抑えるために、放射線シールド９０５がユニットを取り囲む。この熱を抜き出すために、極低温コレクタ９０２を取り囲む放射線シールド９０５から熱を抜き出すために使用できる、さらに５０ワットの冷却が、約７０Ｋにおいて利用可能である。水素をさらに汲み出すために、必要ならば、ココナツ由来のチャコールなどの適切な材料でコレクタ板をコーティングすることもできる。
【００５９】
供給源を離れる中性ガス分子９０３は、ソレノイド巻線９０６によって生み出された長手方向磁場によって拘束されず、したがって優先的に低温コレクタ９０２上に集まる。対照的に、供給源からのプラズマ９０４は、コイル９０６によって生み出された磁場によって拘束され、ほとんど偏向されずにユニットを通過する。
【００６０】
図１０は、磁極１０３の表面の近くの低磁場領域で２次電子を発生させるための好ましい実施例を示す。フィラメント１００１が数百ボルトのエネルギーをもつ電子を生成することがわかる。加速板１００２を通じて放出される高エネルギー電子１０１０は、グラファイト・コレクタ１００３に当たって、チャネル１０１５内でドリフトする低エネルギー２次電子を生成し、チャネル１０１５で偏向磁場と結び付く。ビーム相互作用を最小限に抑えるために、グラファイト板１００５が磁極を覆うことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】双極磁石内のプラズマ輸送チャネルを示す図である。
【図２】ホロー・カソード・プラズマ入射を示す図である。
【図３】スロット・ビームのためのプラズマ伝送の詳細を示す図である。
【図４】径方向プラズマ発生装置を示す図である。
【図５】偏向磁石の周りの電子ドリフトを示す図である。
【図６】面取り縁部の幾何学形状を示す図である。
【図７】カスプ磁場の導入を示す図である。
【図８】プラズマ伝送管の断面を示す図である。
【図９】極低温ガス・スキマーを示す図である。
【図１０】磁極内２次電子源を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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