CN113808803A - 混合磁铁结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种混合磁铁结构，其包含相对配置的两个二极磁铁组件，每个二极磁铁组件包含一永久磁铁、二铁芯以及一可活动磁场分流元件。此混合磁铁结构可透过在带电粒子束的水平或垂直方向上施加一可调变的梯度磁场大小来对不同位置的带电粒子束进行聚焦。本发明透过让带电粒子束通过两个二极磁铁组件之间所建立的梯度磁场来达到聚焦带电粒子束的目的。此外，透过调整可活动磁场分流元件与永久磁铁之间的间隙可以改变梯度磁场大小，进而控制不同能量或质量的带电粒子束在某一轴向上的粒子束尺寸。

Description

混合磁铁结构

技术领域

本发明是关于一种混合磁铁结构，特别是一种适用于离子布植技术领域的混合磁铁结构。

背景技术

目前在离子布植技术领域上，都是采用线圈绕在铁蕊上的方式来制造二极磁铁(Dipole magnet)与四极磁铁(由两个二极磁铁所构成)，并借此在两个二级磁铁之间形成一个梯度磁场，再透过此梯度磁场在特定的轴向上收敛(聚焦)带电粒子束(例如离子束)，如中国台湾TW I679669号专利以及中国台湾TW I640999号专利所述。

此梯度磁场的特性是场中央处的磁场为零，且磁场大小在某一轴向上(例如Y轴方向)会随着远离场中央处而渐增。在进行操作时，是令带电粒子束的中心通过此梯度磁场的场中央，如此一来，位于带电粒子束中心的带电粒子所经受的磁场将会是零，因而可维持原路径前进。而在Y轴方向上偏离带电粒子束中心的带电粒子所经受的磁场不为零，且其所经受的磁场对其所施加的磁力会促使其往带电粒子束中央(场中央)靠近，借此达到收敛(聚焦)带电粒子束的目的。

传统四极磁铁的作法是透过改变线圈的电流来改变梯度磁场的大小，借此对通过磁场的带电粒子束进行聚焦。此种透过线圈电流大小来控制梯度磁场包含以下问题：(1)耗费额外的电力，提高所加工产品的碳足迹，也提高加工成本；(2)漏磁场较大，容易影响邻近磁铁的磁场强度；(3)线圈的绝缘材料在过热时会释出气体，影响或污染真空腔体；及(4)磁场的改变程度有限。

发明内容

本发明提出一种混合磁铁结构，用以聚焦沿Z轴方向运动的一带电粒子束，该混合磁铁结构包含共平面配置的第一二极磁铁组件与第二二极磁铁组件。

第一二极磁铁组件包含第一永久磁铁、第一铁芯、第二铁芯与第一导磁元件。第一永久磁铁具有第一N极端、第一S极端、第一内侧面与相对于第一内侧面的第一外侧面。第一N极端与第一S极端配置于平行X轴的一直线方向上。第一内侧面与第一外侧面位于第一N极端与第一S极端之间，且第一内侧面配置以朝向带电粒子束的运动路径。第一铁芯包含彼此相连的第一覆盖区段与第一延伸区段，第一覆盖区段覆盖第一N极端，第一延伸区段自第一覆盖区段延伸而凸出第一内侧面。第二铁芯包含彼此相连的第二覆盖区段与第二延伸区段，第二覆盖区段覆盖第一S极端，第二延伸区段自第二覆盖区段延伸而凸出第一内侧面。第一导磁元件可活动地设置于第一永久磁铁的第一外侧面。

第二二极磁铁组件包含第二永久磁铁、第三铁芯、第四铁芯与第二导磁元件。第二永久磁铁具有第二N极端、第二S极端、第二内侧面与相对于第二内侧面的第二外侧面。第二N极端与第二S极端配置于平行X轴的另一直线方向上。第二内侧面与第二外侧面位于第二N极端与第二S极端之间，且第二内侧面配置以朝向带电粒子束的运动路径且朝向第一永久磁铁的第一内侧面。第三铁芯包含彼此相连的第三覆盖区段与第三延伸区段，第三覆盖区段覆盖第二S极端，第三延伸区段自第三覆盖区段延伸而凸出第二内侧面，且第三延伸区段与第一延伸区段配置于平行Y轴的一直线方向上。第四铁芯包含彼此相连的第四覆盖区段与第四延伸区段，第四覆盖区段覆盖第二N极端，第四延伸区段自第四覆盖区段延伸而凸出第二内侧面，且第四延伸区段与第二延伸区段配置于平行于Y轴的另一直线方向上。第二导磁元件可活动地设置于第二永久磁铁的第二外侧面。

本发明的混合磁铁结构会在第一二极磁铁组件与第二二极磁铁组件之间建立一个梯度磁场，可活动的第一导磁元件与第二导磁元件则作为磁场分流元件，透过控制第一导磁元件与第一永久磁铁之间的间距以及第二导磁元件与第二永久磁铁之间的间距，即可验证无需使用高耗能线圈的情况下实现梯度磁场大小的调整。

附图说明

图1为本发明的混合磁铁结构的第一实施例的示意图；

图2A为第一实施例的第一导磁元件靠近第一永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图2B为第一实施例的第一导磁元件远离第一永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图3A为第一实施例的第二导磁元件靠近第二永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图3B为第一实施例的第二导磁元件远离第二永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图4A为第一实施例的混合磁铁结构所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，曲线代表X＝0时磁场Bx随Y轴变化的趋势；

图4B为第一实施例的混合磁铁结构所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，曲线代表Y＝0时磁场By随X轴变化的趋势；

图5为本发明的混合磁铁结构的第二实施例的示意图；

图6为第二实施例的第一导磁元件靠近第一永久磁铁以及第二导磁元件靠近第二永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图7为第二实施例的第一导磁元件远离第一永久磁铁以及第二导磁元件远离第二永久磁铁时的磁力线分布示意图；

图8A为第二实施例的混合磁铁结构所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，曲线代表X＝0时，磁场Bx随Y轴变化的趋势，P1～P3分别代表不同DX2值所得到的曲线；

图8B为第二实施例的混合磁铁结构所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，曲线代表Y＝0时磁场By随X轴变化的趋势，P1～P3分别代表不同DX2值所得到的曲线。

【符号说明】

1,2:混合磁铁结构

11,21:第一二极磁铁组件

111,211:第一永久磁铁

111A,211A:第一内侧面

111B,211B:第一外侧面

111N,211N:第一N极端

111S,211S:第一S极端

112,212:第一铁芯

1121,2121:第一覆盖区段

1122,2122:第一延伸区段

113,213:第二铁芯

1131,2131:第二覆盖区段

1132,2132:第二延伸区段

114,214:第一导磁元件

114G,214G:间距

13,23:第二二极磁铁组件

131,231:第二永久磁铁

131A,231A:第二内侧面

131B,231B:第二外侧面

131N,231N:第二N极端

131S,231S:第二S极端

132,232:第三铁芯

1321,2321:第三覆盖区段

1322,2322:第三延伸区段

133,233:第四铁芯

1331,2331:第四覆盖区段

1332,2332:第四延伸区段

134,234:第二导磁元件

134G,234G:间距

90,92:带电粒子束

DX1,DX2:间距

DY1,DY2:间距

ML:磁力线

WX:宽度

具体实施方式

以下各实施例中，“上”、“下”、“前”或“后”仅仅是用来说明其在附图中所呈现的方位，或者方便描述元件彼此之间的相对关系，并非限制其实际位向。

为方便说明，本说明书的各实施例的元件关系与物理量的描述是使用直角坐标系统，其中带电粒子束的运动方向是定义于Z轴方向上，相对配置的二个二极磁铁是共平面且其N极端与S极端均位在XY平面。

若无特别定义，以下实施例所称的“间距”是指两个元件之间或两个元件的特定部位之间的最短距离。在此需特别说明，图5所示的间距DX2是指第一延伸区段2122与第二延伸区段2132之间的最长距离。

永久磁铁是指透过磁性材料所制成而具有持久存在的磁场的元件，且该磁场无法如电磁铁的磁场般可以透过控制电流来改变磁场大小。永久磁铁的种类包含有陶瓷型、肥粒铁型或稀土型永久磁铁(例如SmCo)。

带电粒子的产生一般是将粒子源气体通入电浆反应室中使其电浆化，然后再将电浆化的粒子源气体通过呈狭缝状的萃取电极萃取出所要的带电粒子(离子)。因此带电粒子束的截面形状一般会呈扁平状，亦即在某个轴向上会比较长(下称长轴方向)，在另一个相互正交的轴向上则比较扁(下称短轴方向)。为方便说明，本说明书中的带电粒子束的长轴方向是定义为Y轴方向(或称垂直方向)，带电粒子束的短轴方向是定义为X轴方向(或称水平方向)。

请参照图1，为本发明的混合磁铁结构的第一实施例的示意图，其绘示出一混合磁铁结构1。混合磁铁结构1属于四极磁铁，其主要包含以共平面方式配置于XY平面的两个二级磁铁，分别为第一二极磁铁组件11与第二二极磁铁组件13。混合磁铁结构1用以聚焦沿Z轴方向运动的带电粒子束90，带电粒子束90的截面概如图1所示呈扁平状，其中长轴方向是为Y轴方向(垂直方向)，短轴方向是为X轴方向(水平方向)。以图1方式配置的混合磁铁结构1是用以对带电粒子束90的长轴方向进行聚焦，也就是带电粒子束90在通过混合磁铁结构1之后，其截面沿Y轴方向的长度会变短，沿X轴方向的长度则会略微变长。利用四极磁铁聚焦带电粒子束的原理已见于诸多先前技术文件中，于此不再重复赘述。本发明的重点着重在提出一种全新设计的混合磁铁结构，用以取代传统使用线圈来控制磁极磁场的四极磁铁。

如图1所示，第一二极磁铁组件11包含第一永久磁铁111，第一永久磁铁111具有第一N极端111N与第一S极端111S、第一内侧面111A与相对于第一内侧面111A的第一外侧面111B。第一N极端111N与第一S极端111S配置于平行X轴的一直线方向上。第一内侧面111A与第一外侧面111B位于第一N极端111N与第一S极端111S之间，第一内侧面111A配置以朝向带电粒子束90的运动路径。

第一二极磁铁组件11还包含第一铁芯112，第一铁芯112包含彼此相连的第一覆盖区段1121与第一延伸区段1122，其中第一覆盖区段1121覆盖第一N极端111N的端面以尽可能将从第一N极端111N发射的磁力线ML导引至第一延伸区段1122。第一延伸区段1122连接于第一覆盖区段1121的一端并自第一覆盖区段1121延伸而且凸出第一内侧面111A。第一永久磁铁111的磁力线ML主要从第一延伸区段1122射出，因此第一延伸区段1122是作为第一二极磁铁组件11的其中一个磁极。

第一二极磁铁组件11还包含第二铁芯113，第二铁芯113包含彼此相连的第二覆盖区段1131与第二延伸区段1132，其中第二覆盖区段1131覆盖第一S极端111S的端面以尽可能将从第一延伸区段1122发射的磁力线ML导引至第一S极端111S。第二延伸区段1132连接于第二覆盖区段1131的一端并自第二覆盖区段1131延伸而凸出第一内侧面111A。第一永久磁铁111的磁力线ML从第一延伸区段1122射出后，大部分是通过第二延伸区段1132回到第一永久磁铁111，因此第二延伸区段1132是作为第一二极磁铁组件11的另一个磁极。

参照图1与图2A、图2B，第一二极磁铁组件11还包含第一导磁元件114，其可活动地设置于第一永久磁铁111的第一外侧面111B。在部分实施例中，第一导磁元件114的材质是为铁芯材料，因此第一永久磁铁111的磁力线ML会有一部分分流至第一导磁元件114。如图2A所示，当第一导磁元件114较靠近第一外侧面111B，亦即第一导磁元件114与第一外侧面111B之间的间距114G较小时，分流至第一导磁元件114的磁力线ML会较多，连带也使得从第一延伸区段1122射出并通过第二延伸区段1132回到第一永久磁铁111的磁通量较小。如图2B所示，当第一导磁元件114较远离第一外侧面111B，亦即第一导磁元件114与第一外侧面111B之间的间距114G较大时，则分流至第一导磁元件114的磁力线ML会较少，进而使得从第一延伸区段1122射出并通过第二延伸区段1132回到第一永久磁铁111的磁通量变大。如此一来，工程人员便可透过调整第一导磁元件114与第一永久磁铁111的第一外侧面111B之间的间距114G来控制第一二极磁铁组件11作用于带电粒子束90的磁场的大小。

参照图1，第二二极磁铁组件13包含第二永久磁铁131，第二永久磁铁131具有第二N极端131N与第二S极端131S、第二内侧面131A与相对于第二内侧面131A的第二外侧面131B。第二N极端131N与第二S极端131S配置于平行X轴的另一直线方向上，且与第一N极端111N与第一S极端111S的配置方式相差180度。第二内侧面131A与第二外侧面131B位于第二N极端131N与第二S极端131S之间，第二内侧面131A配置以朝向带电粒子束90的运动路径且朝向第一永久磁铁111的第一内侧面111A。

第二二极磁铁组件13还包含第三铁芯132，第三铁芯132包含彼此相连的第三覆盖区段1321与第三延伸区段1322，其中第三覆盖区段1321覆盖第二S极端131S的端面以尽可能将从第三延伸区段1322发射的磁力线ML导引至第二S极端131S。第三延伸区段1322自第三覆盖区段1321延伸而凸出第二内侧面131A，且第三延伸区段1322与第一延伸区段1122配置于平行Y轴的一直线方向上，且彼此相隔一间距DY1。

第二二极磁铁组件13还包含第四铁芯133，第四铁芯133包含彼此相连的第四覆盖区段1331与第四延伸区段1332，其中第四覆盖区段1331覆盖第二N极端131N的端面以尽可能将从第二N极端131N发射的磁力线ML导引至第四延伸区段1332。第四延伸区段1332连接于第四覆盖区段1331的一端且自第四覆盖区段1331延伸而凸出第二内侧面131A。第四延伸区段1332与第二延伸区段1132配置于平行于Y轴的另一直线方向上，且彼此相隔一间距DY1。第二永久磁铁131的磁力线ML主要从第四延伸区段1332射出，并经由第三延伸区段1322与第三覆盖区段1321而回到第二永久磁铁131中，因此第三延伸区段1322与第四延伸区段1332是作为第二二极磁铁组件13的两个磁极。

参照图1与图3A、图3B，第二二极磁铁组件13还包含第二导磁元件134，其可活动地设置于第二永久磁铁131的第二外侧面131B。第二导磁元件134的功用与第一导磁元件114类似。在部分实施例中，第二导磁元件134的材质是为铁芯材料，因此第二永久磁铁131的磁力线ML会有一部分分流至第二导磁元件134。如图3A所示，当第二导磁元件134较靠近第二外侧面131B，亦即第二导磁元件134与第二外侧面131B之间的间距134G较小时，分流至第二导磁元件134的磁力线ML会较多，连带也使得从第四延伸区段1332射出并通过第三延伸区段1322回到第二永久磁铁131的磁通量较小。如图3B所示，当第二导磁元件134较远离第二外侧面131B，亦即第二导磁元件134与第二外侧面131B之间的间距134G较大时，则分流至第二导磁元件134的磁力线ML会较少，进而使得从第四延伸区段1332射出并通过第三延伸区段1322回到第二永久磁铁131的磁通量变大。如此一来，工程人员便可透过调整第二导磁元件134与第二永久磁铁131的第二外侧面131B之间的间距134G来控制第二二极磁铁组件13作用于带电粒子束90的磁场的大小。

在真实情况下，部分自第一延伸区段1122射出的磁力线亦可能会进入第三延伸区段1322中，部分自第四延伸区段1332射出的磁力线同样也可能会进入第二延伸区段1132中，但因带电粒子束90的长轴方向的长度往往远大于短轴方向的长度，因此实际操作上DY1也将远大于DX1，因此自第一延伸区段1122射出的磁力线进入第三延伸区段1322的比例或者是自第四延伸区段1332射出的磁力线进入第二延伸区段1132的比例十分有限。

参照图4A与图4B，为混合磁铁结构1所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场位于XY平面上，梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，图4A为X＝0时磁场Bx随Y轴变化的曲线图，图4B为Y＝0时磁场By随X轴变化的曲线图。由图4A与图4B可知梯度磁场的场中央的磁场为0，且随着远离梯度磁场的场中央，磁场将逐渐变大。

可预见的，如果图1中的带电粒子束90的截面旋转90度，亦即长轴方向为X轴方向(水平方向)，短轴方向是为Y轴方向(垂直方向)，则只要将图1的混合磁铁结构1也旋转90度，同样也可用来在X轴方向上对其聚焦。

如图1所示，在部分实施例中，第一铁芯112的第一延伸区段1122与第三铁芯132的第三延伸区段1322沿Y轴方向的间距等于第二铁芯113的第二延伸区段1132与第四铁芯133的第四延伸区段1332沿Y轴方向的间距，且均为DY1。此外，第一铁芯112的第一延伸区段1122与第二铁芯113的第二延伸区段1132沿X轴方向的间距等于第三铁芯132的第三延伸区段1322与第四铁芯133的第四延伸区段1332沿X轴方向的间距，且均为DX1。此外，第一永久磁铁111沿X轴方向的宽度等于第二永久磁铁131沿X轴方向的宽度，且均为WX。在本实施例中，混合磁铁结构1是用以收敛(聚焦)长轴方向为Y轴的带电粒子束90，因此DY1会大于DX1。此外，DX1会小于WX，亦即第一延伸区段1122与第二延伸区段1132是朝内延伸，第三延伸区段1322与第四延伸区段1332亦朝内延伸。

前述提到当带电粒子束的长轴方向是在X轴方向(水平方向)上时，只要将第一实施例的混合磁铁结构1旋转90度便可用来在X轴方向上对带电粒子束聚焦。然而在部分情况下，受限于设备所在的空间或者是既有设计的元件配置以及走线，可能只有在单一个轴向(例如垂直方向)始允许设置四极磁体，因此本发明进一步提出第二实施例，其可以在保持如同第一实施例所示的两个二级磁铁组件的相对空间配置关系下，实现在X轴方向上对带电粒子束聚焦。

参照图5，为本发明的混合磁铁结构的第二实施例的示意图，其绘示出一混合磁铁结构2。混合磁铁结构2主要包含以共平面方式配置于XY平面的两个二级磁铁，分别为第一二极磁铁组件21与第二二极磁铁组件23。混合磁铁结构2用以聚焦沿Z轴方向运动的带电粒子束92，带电粒子束92的截面概如图5所示呈扁平状，其中长轴方向是为X轴方向(水平方向)，短轴方向是为Y轴方向(垂直方向)。以图5方式配置的混合磁铁结构2是用以对带电粒子束92的水平轴方向进行聚焦，也就是带电粒子束92在通过混合磁铁结构2之后，其截面沿X轴方向的长度会变短，沿Y轴方向的长度则会略微变长，兹详细说明其结构如下。

如图5所示，第一二极磁铁组件21包含第一永久磁铁211，第一永久磁铁211具有第一N极端211N与第一S极端211S、第一内侧面211A与相对于第一内侧面211A的第一外侧面211B。第一N极端211N与第一S极端211S配置于平行X轴的一直线方向上。第一内侧面211A与第一外侧面211B位于第一N极端211N与第一S极端211S之间，第一内侧面211A配置以朝向带电粒子束92的运动路径。

续参照图5，第二二极磁铁组件23包含第二永久磁铁231，第二永久磁铁231具有第二N极端231N与第二S极端231S、第二内侧面231A与相对于第二内侧面231A的第二外侧面231B。第二N极端231N与第二S极端231S配置于平行X轴的另一直线方向上，且与第一N极端211N与第一S极端211S的配置方式相差180度。第二内侧面231A与第二外侧面231B位于第二N极端231N与第二S极端231S之间，第二内侧面231A配置以朝向带电粒子束92的运动路径且朝向第一永久磁铁211的第一内侧面211A。

第一二极磁铁组件21还包含第一铁芯212，第一铁芯212包含彼此相连的第一覆盖区段2121与第一延伸区段2122，其中第一覆盖区段2121覆盖第一N极端211N的端面以尽可能将从第一N极端211N发射的磁力线ML导引至第一延伸区段2122。第一延伸区段2122连接于第一覆盖区段2121的一端并自第一覆盖区段2121延伸而且凸出第一内侧面211A。第一永久磁铁211的磁力线ML主要从第一延伸区段2122射出，因此第一延伸区段2122是作为第一二极磁铁组件21的其中一个磁极。有别于第一实施例的第一延伸区段1122于凸出第一内侧面111A之后是朝向内部延伸，本实施例的第一延伸区段2122于凸出第一内侧面211A之后是朝向外部延伸。

第二二极磁铁组件23还包含第三铁芯232，第三铁芯232包含彼此相连的第三覆盖区段2321与第三延伸区段2322，其中第三覆盖区段2321覆盖第二S极端231S的端面以尽可能将从第一延伸区段2122发射的磁力线ML导引至第三延伸区段2322。第三延伸区段2322自第三覆盖区段2321延伸而凸出第二内侧面231A，且第三延伸区段2322与第一延伸区段2122的配置是相对于XZ平面对称，且彼此相隔一间距DY2。有别于第一实施例的第三延伸区段1322是朝向内部延伸，本实施例的第三延伸区段2322于凸出第二内侧面231A之后是朝向外部延伸。

再参照图5，并结合图6、7，第一二极磁铁组件21还包含第二铁芯213，第二铁芯213包含彼此相连的第二覆盖区段2131与第二延伸区段2132，其中第二覆盖区段2131覆盖第一S极端211S的端面以尽可能将从第二二极磁铁组件23的第二永久磁铁231所发射的磁力线ML导引至第二延伸区段2132。第二延伸区段2132连接于第二覆盖区段2131的一端并自第二覆盖区段2131延伸而凸出第一内侧面211A。有别于第一实施例的第二延伸区段1132于凸出第一内侧面111A之后是朝向内部延伸，本实施例的第二延伸区段2132于凸出第一内侧面211A之后是朝向外部延伸。此外，在本实施例中，第一永久磁铁211沿X轴方向具有宽度WX，第一延伸区段2122与第二延伸区段2132沿X轴方向具有间距DX2，且DX2大于WX与DY2。

第二二极磁铁组件23还包含第四铁芯233，第四铁芯233包含彼此相连的第四覆盖区段2331与第四延伸区段2332，其中第四覆盖区段2331覆盖第二N极端231N的端面以尽可能将从第二N极端231N发射的磁力线ML导引至第四延伸区段2332。第四延伸区段2332连接于第四覆盖区段2331的一端且自第四覆盖区段2331延伸而凸出第二内侧面231A。第四延伸区段2332与第二延伸区段2132配置是相对于XZ平面对称，且彼此相隔一间距DY2。第二永久磁铁231的磁力线ML主要从第四延伸区段2332射出，并进入第二延伸区段2132与第二覆盖区段2131。有别于第一实施例的第四延伸区段1332是朝向内部延伸，本实施例的第四延伸区段2332是朝向外部延伸。此外，在本实施例中，第二永久磁铁231沿X轴方向具有宽度WX，第三延伸区段2322与第四延伸区段2332沿X轴方向具有间距DX2，且DX2大于WX与DY2。

复参照图5至图7，第一二极磁铁组件21包含第一导磁元件214，其可活动地设置于第一永久磁铁211的第一外侧面211B。在部分实施例中，第一导磁元件214的材质是为铁芯材料，因此第一永久磁铁211的磁力线ML会有一部分分流至第一导磁元件214。如图6所示，当第一导磁元件214较靠近第一外侧面211B，亦即第一导磁元件214与第一外侧面211B之间的间距214G较小时，分流至第一导磁元件214的磁力线ML会较多，连带也使得从第一延伸区段2122射出并通过第三延伸区段2322的磁通量较小。如图7所示，当第一导磁元件214较远离第一外侧面211B，亦即第一导磁元件214与第一外侧面211B之间的间距214G较大时，则分流至第一导磁元件214的磁力线ML会较少，进而使得从第一延伸区段2122射出并通过第三延伸区段2322的磁通量变大。如此一来，工程人员便可透过调整第一导磁元件214与第一永久磁铁211的第一外侧面211B之间的间距214G来控制第一二极磁铁组件21作用于带电粒子束92的磁场的大小。

复参照图5至图7，第二二极磁铁组件23还包含第二导磁元件234，其可活动地设置于第二永久磁铁231的第二外侧面231B。第二导磁元件234的功用与第一导磁元件214类似。在部分实施例中，第二导磁元件234的材质是为铁芯材料，因此第二永久磁铁231的磁力线ML会有一部分分流至第二导磁元件234。如图6所示，当第二导磁元件234较靠近第二外侧面231B，亦即第二导磁元件234与第二外侧面231B之间的间距234G较小时，分流至第二导磁元件234的磁力线ML会较多，连带也使得从第四延伸区段2332射出并通过第二延伸区段2132的磁通量较小。如图7所示，当第二导磁元件234较远离第二外侧面231B，亦即第二导磁元件234与第二外侧面231B之间的间距234G较大时，则分流至第二导磁元件234的磁力线ML会较少，进而使得从第四延伸区段2332射出并通过第二延伸区段2132的磁通量变大。如此一来，工程人员便可透过调整第二导磁元件234与第二永久磁铁231的第二外侧面231B之间的间距234G来控制第二二极磁铁组件13作用于带电粒子束92的磁场的大小。

如图6与图7所示，在真实情况下，部分自第一延伸区段2122射出的磁力线亦可能会进入第二延伸区段2132中，部分自第四延伸区段2332射出的磁力线同样也可能会进入第三延伸区段2322中，但因带电粒子束92的长轴(X轴)方向的长度往往远大于短轴(Y轴)方向的长度，因此实际操作上DX2也将远大于DY2，因此自第一延伸区段2122射出的磁力线进入第二延伸区段2132的比例或者是自第四延伸区段2332射出的磁力线进入第三延伸区段2322的比例十分有限。

参照图8A与图8B，为混合磁铁结构2所形成的梯度磁场的模拟示意图，其中梯度磁场位于XY平面上，梯度磁场的场中央的座标为(0,0)，且DY2＝DY1。其中图8A为X＝0时，X方向的磁场Bx随Y轴变化的曲线图，图8B为Y＝0时Y方向的磁场By随X轴变化的曲线图。由图8A与图8B可知梯度磁场的场中央的磁场为0，且随着远离梯度磁场的场中央，磁场将逐渐变大。

图8A与图8B包含了三条曲线，分别为曲线P1、曲线P2、曲线P3，其分别代表在固定间距DY2的情况下，改变间距DX2值所得到的磁场模拟结果。其中曲线P3的间距DX2大于曲线P2的间距DX2，曲线P2的间距DX2大于曲线P1的间距DX2。从模拟结果可知，当相邻二个二极磁铁组件之间的距离固定时(即DY2固定不变)，若是增加二磁极沿X轴方向的间距DX2，则Y方向的磁场By的大小没有显著改变，但X方向的磁场Bx则会随着DX2的变大而减少。

如图5所示，在部分实施例中，第一铁芯212的第一延伸区段2122与第三铁芯232的第三延伸区段2322沿Y轴方向的间距等于第二铁芯213的第二延伸区段2132与第四铁芯233的第四延伸区段2332沿Y轴方向的间距，且均为DY2。此外，第一铁芯212的第一延伸区段2122与第二铁芯213的第二延伸区段2132沿X轴方向的间距等于第三铁芯232的第三延伸区段2322与第四铁芯233的第四延伸区段2332沿X轴方向的间距，且均为DX2。此外，第一永久磁铁211沿X轴方向的宽度等于第二永久磁铁231沿X轴方向的宽度，且均为WX。本实施例的混合磁铁结构2是用以收敛(聚焦)长轴方向为X轴的带电粒子束92，因此DX2会大于DY2，且DX2也会大于WX。

在部分实施例中，上述第一永久磁铁与第二永久磁铁的外表面可包覆厚度约5mm的石墨层，借此避免第一永久磁铁与第二永久磁铁被辐射直接照射而受损，进而延长第一永久磁铁与第二永久磁铁的使用寿命。此外，也可以在第一永久磁铁与第二永久磁铁的表面镀一层厚度约5μm的氮化钛层，借此防止第一永久磁铁与第二永久磁铁在工作时，因高温而释出气体破坏真空腔室的真空度或污染真空腔室。

在部分实施例中，上述第一导磁元件与第二导磁元件可以设置于真空腔室外，因此有助于离子布植机系统的小型化。

承上，本发明的混合磁铁结构透过二个导磁元件的分流来控制磁极的磁场大小，相较于传统使用高耗能的线圈的方式，至少具有以下所述优点的其中之一：(1)磁场控制不需消耗大量电力，具有节能减碳的功能，(2)漏磁埸(magnetic flux leakage)较小比较不影响邻近的磁铁磁埸强度，(3)适用于不同能量范围的粒子束，(4)适用于真空环境尤其是超高真空，(4)提供紧凑小型化离子布植机系统。

虽然本发明已以实施例揭露如上然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种混合磁铁结构，其特征在于，用以聚焦沿Z轴方向运动的一带电粒子束，该混合磁铁结构包含：

一第一二极磁铁组件，设置于XY平面上，包含：

一第一永久磁铁，具有一第一N极端、一第一S极端、一第一内侧面与相对于该第一内侧面的一第一外侧面，该第一N极端与该第一S极端配置于平行X轴的一直线方向上，该第一内侧面与该第一外侧面位于该第一N极端与该第一S极端之间，该第一内侧面配置以朝向该带电粒子束的运动路径；

一第一铁芯，包含彼此相连的一第一覆盖区段与一第一延伸区段，该第一覆盖区段覆盖该第一N极端，该第一延伸区段自该第一覆盖区段延伸而凸出该第一内侧面；

一第二铁芯，包含彼此相连的一第二覆盖区段与一第二延伸区段，该第二覆盖区段覆盖该第一S极端，该第二延伸区段自该第二覆盖区段延伸而凸出该第一内侧面；及

一第一导磁元件，可活动地设置于该第一永久磁铁的第一外侧面；及一第二二极磁铁组件，与该第一二极磁铁组件共平面，包含：

一第二永久磁铁，具有一第二N极端、一第二S极端、一第二内侧面与相对于该第二内侧面的一第二外侧面，该第二N极端与该第二S极端配置于平行X轴的另一直线方向上，该第二内侧面与该第二外侧面位于该第二N极端与该第二S极端之间，该第二内侧面配置以朝向该带电粒子束的运动路径且朝向该第一永久磁铁的第一内侧面；

一第三铁芯，包含彼此相连的一第三覆盖区段与一第三延伸区段，该第三覆盖区段覆盖该第二S极端，该第三延伸区段自该第三覆盖区段延伸而凸出该第二内侧面，且该第三延伸区段与该第一延伸区段配置于平行Y轴的一直线方向上；

一第四铁芯，包含彼此相连的一第四覆盖区段与一第四延伸区段，该第四覆盖区段覆盖该第二N极端，该第四延伸区段自该第四覆盖区段延伸而凸出该第二内侧面，且该第四延伸区段与该第二延伸区段配置于平行于Y轴的另一直线方向上；及

一第二导磁元件，可活动地设置于该第二永久磁铁的第二外侧面。

2.根据权利要求1所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一延伸区段与该第三延伸区段沿Y轴方向的间距等于该第二延伸区段与该第四延伸区段沿Y轴方向的间距。

3.根据权利要求2所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一延伸区段与该第二延伸区段沿X轴方向的间距等于该第三延伸区段与该第四延伸区段沿X轴方向的间距。

4.根据权利要求3所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一延伸区段与该第三延伸区段沿Y轴方向具有间距DY1，该第二延伸区段与该第四延伸区段沿Y轴方向亦具有间距DY1，该第一延伸区段与该第二延伸区段沿X轴方向具有间距DX1，该第三延伸区段与该第四延伸区段沿X轴方向亦具有间距DX1，且DY1大于DX1。

5.根据权利要求4所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一永久磁铁沿X轴方向具有宽度WX，该第二永久磁铁沿X轴方向具有宽度WX，且DX1小于WX。

6.根据权利要求1所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一延伸区段与该第三延伸区段沿Y轴方向具有间距DY2，该第二延伸区段与该第四延伸区段沿Y轴方向具有间距DY2，该第一延伸区段与该第二延伸区段沿X轴方向具有间距DX2，该第三延伸区段与该第四延伸区段沿X轴方向具有间距DX2，且DY2小于DX2。

7.根据权利要求6所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一永久磁铁沿X轴方向具有宽度WX，该第二永久磁铁沿X轴方向具有宽度WX，且DX2大于WX。

8.根据权利要求1至7任一项所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一永久磁铁与该第二永久磁铁的外表面镀覆一石墨层。

9.根据权利要求1至7任一项所述的混合磁铁结构，其特征在于，该第一永久磁铁与该第二永久磁铁的外表面镀覆一氮化钛层。

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