JP2012124030A - イオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子源から射出された電子が射出された電子源に入射するのを抑制するイオンビーム照射装置を提供する。
【解決手段】イオンビームを偏向、集束又は発散させる磁石６の上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域Ｋ内に１又は複数の電子源１１と、その近傍であって前記電子源の電子射出方向が遮られない位置に負電圧が印加された収束電極（集束電極）１３を設ける。これにより、電子源から射出された電子は、磁場勾配領域内（ＸＺ平面内）を移動しミラー効果により反射されて該磁場勾配領域内に閉じ込められるとともに、収束電極により集束され、更に、Ｅ×ＢドリフトによりＸＹ平面にもジグザグ状に運動するので、電子を効率的に利用することができる。更に又、対向する電子源に進行する電子がＥ×Ｂドリフトにより進行方向がそれることになるので、対向する電子源に電子が入射したり、反射されて射出元の電子源に入射したりするのが抑制される。
【選択図】図６

Description

本発明は、イオン源から引き出されたイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すためのイオンビーム照射装置に関し、特に空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する機能を有するイオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法に関するものである。

従来、この種のイオンビーム照射装置としては、特許文献１に示すように、イオンビームを生成するイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向するための偏向磁石と、この偏向磁石を構成する磁極面内に設けられた電子源とを備え、当該電子源から対向する磁極に電子線を照射することによって、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する（これを中性化ともいう）ものが考えられている。

この問題を解決するために、特許文献２に記載しているように本願発明者らは、イオン源からのイオンビームを偏向するための偏向磁石の上流側及び／又は下流側の磁場勾配領域内であり、かつ、前記イオンビームが通過する領域外に電子源を配置し、当該電子源から磁場勾配領域内に電子線を照射することによって、電子を磁場勾配領域内にミラー効果によって閉じ込めることで、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制することを提案している。この方法は、偏向磁石近傍のスペースに電子源を配置するという簡単な構成によってイオンビームの空間電荷効果による発散を抑制することができ、しかも特許文献１のような磁石の内部に電子源を埋め込むような方法と比較して、電子源から射出される電子の消費量を抑えることができる優れた方法である。

しかしながら、特許文献２に示す方法では、電子はミラー磁場により閉じ込められるので、磁場勾配と電子源の配置によっては、電子が対向する位置に設置した電子源に入射する、あるいはミラー磁場により反射されたとしても射出された電子源に入射して消失することがある。このため、電子の利用効率が低下する可能性がある。

特表２００６−５１０１６５号公報 ＰＣＴ出願番号ＪＰ２０１０／０５７４０５

そこで本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、電子源から射出された電子を対向する電子源や射出された電子源に入射させにくくすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明にかかるイオンビーム照射装置は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源と前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内であり、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されており、前記磁場勾配領域に電子を供給する１又は複数の電子源と、前記電子源の近傍において前記電子源の電子射出方向が遮られない位置に設けられており、負電圧が印加された収束電極と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のイオンビーム発散抑制方法は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源と前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内であり、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されており、前記磁場勾配領域に電子を供給する１又は複数の電子源と、を備え、負電圧が印加された収束電極を前記電子源の近傍において前記電子源の電子射出方向が遮られない位置に設けることを特徴とする。

このように負電圧が印加されて、負電位に保たれた前記収束電極の存在により、磁場勾配領域に閉じ込められた電子は、ミラー効果による単純な閉じ込めの効果に加えて、負電位による閉じ込めの効果により、ミラー効果単独の場合よりもより狭い空間に閉じ込めることができる。その結果、磁石のイオンビーム上流側又は下流側に形成される電子雲における電子密度を上げることができ、空間電荷効果によるイオンビームの発散を効果的に抑制することができる。

前記電子源から射出された電子により効率よく電子雲を形成し、前記収束電極を配置したことによって形成される静電レンズを用いてイオンビームの空間電荷効果による発散を効果的に抑制するには、前記電子源及び前記収束電極が前記イオンビームを挟むように設けられていればよい。

電子源をコンパクトにするとともに、ミラー効果により生じる電子雲中に配置した場合であっても、電子源に電子が衝突することによる電子の減少を可及的に低減して、電子の利用効率を一層向上させるためには、前記電子源が、電界放出型電子源であることが望ましい。このようなものであれば、前記収束電極の負電位による作用が相乗することにより、電子をより長期間にわたって反射させ続けることができる。

負電圧が印加された前記収束電極と前記磁石により、静電レンズ等を形成してイオンビームの発散を抑制するための具体的な実施の態様としては、前記磁石の電位がグラウンドに設定されていればよい。

このように構成した本発明によれば、従来部品の配置が制約されていた偏向磁石付近のスペースに電子源とともに収束電極を配置することにより当該スペースを有効活用して、電子源から射出された電子を対向する電子源や射出された電子源に入射させにくくして、電子の利用効率を向上することができる。

本発明の実施形態に係るイオンビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 リボン状のイオンビームの一例を部分的に示す概略斜視図である。 コリメート磁石、電子源、及び収束電極を部分的に示す概略斜視図である。 コリメート磁石、電子源、及び収束電極の位置関係を示すZ方向から見た図である。 コリメート磁石、電子源、及び収束電極の位置関係を示すX方向から見た図である。 コリメート磁石、電子源、及び収束電極の位置関係を示す模式的断面図である。 補償磁石、電子源、及び収束電極の位置関係を示すZ方向から見た図である。 補償磁石、電子源、及び収束電極の位置関係を示す断面図である。 電子源と収束電極の構成を模式的に示す断面図である。 従来のイオンビーム照射装置におけるコリメート磁石近傍の電子雲の分布状態を示すシミュレーション結果。 本実施形態のイオンビーム照射装置におけるコリメート磁石近傍の電子雲の分布状態を示すシミュレーション結果。 従来のイオンビーム照射装置におけるＸＺ平面でのイオンビームの発散状態を示すシミュレーション結果。 本実施形態のイオンビーム照射装置におけるＸＺ平面でのイオンビームの発散状態を示すシミュレーション結果。 本実施形態のコリメート磁石の収束電極により形成される電場の形状を示す模式図。 その他の実施形態における電子源及び収束電極の態様を示す模式図。

以下に本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態において、図１に示すように、ターゲットWに照射されるイオンビームIBの設計上の進行方向をX方向、X方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をY方向及びZ方向とする。

本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００は、図１にその模式的全体図を示すように、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源２と、このイオン源２及びターゲットWの間に設けられ、イオン源２から出たイオンビームIBをターゲットWに照射するために、発生する磁場によってイオンビームIBを偏向、収束又は発散させる複数の磁石と、を備えている。

本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、磁石としてイオン源２から引き出されたイオンビームIBを質量分離するための質量分離器３と、イオンビームIBをエネルギー分離するためのエネルギー分離器４と、イオンビームIBをY方向に走査するための走査器５と、この走査器５により走査されたイオンビームIBを平行ビーム化するビーム平行化器6と、走査器5及びビーム平行化器６の間に設けられ、イオンビームIBのZ方向の発散を補償して、イオンビームIBの輸送効率を向上させる補償器７と、を備えている。

なお、質量分離器３及びエネルギー分離器４の間には、イオンビームIBを必要に応じて加速又は減速するための加減速器８が設けられている。また、ビーム平行化器６とターゲットWの間にはイオンビームIBを通過させる開口を有し、イオンビームIBを整形するマスク９が設けられている。これにより、イオンビームIBのY方向の不要な袖の部分をカットしている。

質量分離器３は、磁場によってイオンビームIBの質量分離を行なう質量分離磁石である。エネルギー分離器４は、磁場によってイオンビームIBのエネルギー分離を行なうエネルギー分離磁石である。走査器５は、磁場によってイオンビームIBの走査を行なう走査磁石である。ビーム平行化器６は、磁場によってイオンビームIBの平行化を行なうコリメート磁石である。補償器７は、磁場によってイオンビームIBのZ方向の発散を補償する補償磁石である。なお、加減速器８は複数枚の電極を有していて静電界によってイオンビームIBの加減速を行なう加減速管である。上記磁石３〜７は、電磁石により構成してもよいし、永久磁石により構成しても良い。

このように構成したイオンビーム照射装置１００により、ホルダ１０に保持されたターゲットWにイオンビームIBを照射して、ターゲットWにイオン注入等の処理を施すように構成されている。イオンビームIBの軌道は、真空雰囲気に保たれるように構成されている。質量分離器３を設けない場合もある。ターゲットWにイオン注入を行なう場合は、この装置１００はイオン注入装置とも呼ばれる。

ターゲットWに照射されるイオンビームIBは、図２に示すように、Y方向（例えば長手方向）の寸法が、当該Y方向と直交するZ方向の寸法よりも大きい形をしている。このような形状のイオンビームIBは、リボン状やシート状あるいは帯状のイオンビームと呼ばれる場合もある。但し、Z方向の寸法が紙のように薄いという意味ではない。一例を挙げると、Y方向の寸法は３５０ｍｍ〜４００ｍｍ程度、Z方向の寸法は８０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。

ターゲットWは、例えば半導体基板又はガラス基板等である。ターゲットWは、この実施形態では、ホルダ１０に保持されて、ターゲット駆動装置（不図示）によって、Z方向に沿って機械的に往復進退駆動（メカニカルスキャン）される。イオンビームIBのY方向の寸法W_Yは、ターゲットWの同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復進退駆動とによって、ターゲットWの全面にイオンビームIBを照射することができる。

しかして本実施形態のイオンビーム照射装置１００において、コリメート磁石６及び補償磁石７の近傍に電子を生成する複数の電子源１１を設け、それらコリメート磁石６及び補償磁石７近傍に電子雲を形成しイオンビームIBに電子を供給することによって、空間電荷効果によるイオンビームIBの発散を抑制する構成としている。さらに、電子源１１の外側に当該電子源１１よりもさらに負電位とした収束電極１３を配置し、該収束電極１３の負電位による電子閉じ込め領域の狭小化、静電レンズ効果、直交電磁界による電子のドリフトを利用して発散抑制の効果を高める構成となっている。

以下に具体的に説明する。

コリメート磁石６は、磁界によってイオンビームIBを走査する走査器５と協働して、Ｙ方向に走査されたイオンビームＩＢを、磁界によって基準軸C（Ｘ方向に沿った軸である）に対して実質的に平行となるように曲げ戻して平行ビーム化して、Ｙ方向の寸法がＺ方向の寸法よりも大きいリボン上のイオンビームＩＢを射出するものである。このコリメート磁石６は、図３〜図６に示すように、Ｚ方向において相対向する２つの磁極６１と、それらの間を繋ぐヨーク６２と、各磁極６１を励磁する励磁コイル６３とを有し、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面６１ａ、６１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である）を備えている。

補償磁石７は、イオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償して、イオンビームＩＢの輸送効率を向上させるものである。この補償磁石は図７及び図８に示すように、Ｚ方向に相対向するように配置された第１の磁石７Ａと第２の磁石７Ｂとにより構成されている。各磁石７Ａ、７Ｂは、イオンビームＩＢの進行方向に張り出した弧状をなす鉄心７１と、この鉄心７１の長手方向に巻回されたコイル７２を備えている。鉄心７１の２つの（即ち、イオンビームＩＢの入口側及び出口側の）長辺部７１１が、それぞれ、その実質的に全長に亘って異なる磁極を構成する。つまり、補償磁石７はコリメート磁石６と同様、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面７１ａ、７１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である。）を備えている（図８参照）。なお、第１の磁石７Ａ及び第２の磁石７Ｂには、それぞれ、直流電源（不図示）からの励磁電流が供給されている。

電子源１１は、図４、図７に示すように、コリメート磁石６及び補償磁石７のイオンビーム上流側又は下流側において、イオンビームIBを挟むように、複数個設けられている。具体的には図５に示すように、電子源ホルダ１２により直列状に且つ互いに等間隔となるように保持されている。なお、図５では、電子源１１をイオンビームIBを挟んで面対称となるように配置しているが、Y方向において交互にずらすように配置しても構わない。

本実施形態の電子源１１は、電界放出型のものであり、図９の部分拡大断面図に示すように、導電性のカソード基板１１１と、このカソード基板１１１の表面に形成され先端が尖った形状をなす複数の微小（μｍ単位）なエミッタ１１２と、この各エミッタ１１２の先端近傍を微小（μｍ単位）な間隙Gを開けて取り囲む、各エミッタ１１２に共通の引き出し電極１１３（ゲート電極とも言う）と、この引き出し電極１１３とカソード基板１１１との間に設けられて両者間を絶縁する絶縁層１１４とを備えている。カソード基板１１１と各エミッタ１１２とは互いに電気的に導通している。複数の電子源１１は電子源ホルダ１２に搭載されており、電子源ホルダ１２はエミッタ１１２や引き出し電極１１３などを含み、これら電極の電位が空間に影響を及ぼしにくくなるような遮蔽を兼ねている。電子源ホルダ１２はエミッタ１１２や引き出し電極１１３とは絶縁されており、これらの電極とは異なる電位を与えることができる構造になっている。一般にエミッタ１１２と、引き出し電極１１３の電位差で定まるエネルギーをもつ電子が空間に射出される。

本実施形態の収束電極１３は、電子源ホルダ１２とは別体の電極であり、電子源１１及び電子源ホルダ１２とは電気的に絶縁されている。収束電極１３は、電子源１１及び電子源１２の支持部材であってもよいし、図９に示すようにまったく独立な電極でもよい。この収束電極１３に負電圧を印加することにより、当該収束電圧１３の電位を負電位に保つようにしてある。

以下、電子源１１及び収束電極１３の具体的な配置態様について説明する。まずは、前記コリメート磁石６及び前記補償磁石７のそれぞれにおいて共通する項目について説明する。

電子源１１は、図６又は図８に示すように、磁石６、７のイオンビームＩＢの上流側及び下流側に形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置され、且つ、イオンビームＩＢが通過する領域外においてそのイオンビームＩＢの通過領域を挟むように配置されている。磁場勾配領域Ｋとは、コリメート磁石６又は補償磁石７において、磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂの外側に膨らむように形成された磁場領域である。

そして、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋに電子が供給される向き、つまり磁場勾配領域Ｋを向く方向に設定されている。具体的には、電子源１１の電子射出方向が、磁極平面（例えば６１ａ又は７１ａ）に対してその磁極平面に対向する磁極平面（６１ｂ又は７１ｂ）を向くように略垂直、又は磁石６、７よりも外側に向けられている。より詳細には、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋ内の磁場の接線方向と略一致するように設定されていることが望ましい。なお、図６及び図８においては、電子源１１の電子射出方向が磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂと略平行な方向となるように磁石６、７よりも外側に向けられた状態を示している。

また、電子源１１は、図５に示すように、コリメート磁石６又は補償磁石７を構成する一対の磁極平面（６１ａ、７１ａ等）と略平行な平面（ＸＹ平面）内にほぼ列状に配置されている。

さらに、電子源１１は、磁石６、７のイオンビーム上流側側面又は下流側側面に沿って、当該側面と各電子源１１との距離が略一定となるように設けられている。例えばコリメート磁石６及びその下流側に設けた電子源１１との距離は、コリメート磁石６の周囲方向において一定となるようにしている。図７に示される補償磁石７及びその上流側又は下流側に設けた電子源１１との距離Ｌ２、Ｌ３は、補償磁石７の周囲方向において一定となるようにしている。つまり、電子源１１は、磁場勾配領域Ｋにおいて、磁石６、７の周囲方向における一定磁場内に配置されるように構成されている。

次に、電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍（出口近傍）に設けた場合の具体的な配置態様について説明する。

電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍に設ける場合には、コリメート磁石６の対向する磁極平面６１ａ、６１ｂ間に発生する磁束密度をＢ_０とし、コリメート磁石６外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．１２＜Ｂ／Ｂ_０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。なお、Ｂ／Ｂ_０の範囲は、磁石６の種類（磁場構成）、電子のエネルギー、取り扱うイオン種、又は偏向量等によって適宜変更される。上流側に設けられる電子源１１に関しても下流側と略同様に設けてもよいし、上流側とは設置条件を異ならせてあっても構わない。

次に、収束電極１３の具体的な配置態様についてコリメート磁石６における例に基づきながら説明する。

前記収束電極１３は、一対の平板電極でありイオンビームＩＢが偏向される平面、すなわち、ＸＹ平面を挟んで平行となるように設けてある。

収束電極１３は例えば図３に示すように、イオンビームIBの通過領域を挟むように配置されている電子源１１をさらに外側から挟むように配置されている。その形状はXY面に平行な薄い板状となっており、コリメート磁石６の磁極６１と収束電極１３の間隙は一定の値GGとなるよう、磁極の曲線に沿った曲線状の形状となっている。また、収束電極１３自身のＸＹ方向の幅は一定の値となっている。

本実施形態では、収束電極は、前記電子源ホルダ１２の底面側ではなく、側面側に設けてあるが、収束電極１３は、電子源１１に関して電子の射出方向と反対側にあることが望ましい。

次に、電子源１１を補償磁石７のイオンビームＩＢの上流側（入口）近傍及び下流側（出口）近傍に設ける場合の具体的な配置態様について説明する。

電子源１１が、補償磁石７を構成する一対の平行な磁極平面７１ａ、７１ｂ間に発生する磁束密度の最大値をＢ_０とし、補償磁石７外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ_０＜１の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．３０＜Ｂ／Ｂ_０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋに設けられている。

さらに、補償磁石７における収束電極１３の配置及び形状について説明すると、前記コリメート磁石６の場合と同様に、収束電極１３は例えば図７、８に示すように、イオンビームIBの通過領域を挟むように配置されている電子源１１をさらに外側から挟むように配置されている。その形状はXY面に平行な薄い板状で磁石の形状に合わせて部分円環状の曲板となっている。補償磁石７の磁極７１と収束電極１３の間隙は一定の値となるよう、磁極の曲線に沿った曲線状の形状となっている。また、収束電極１３自身のＸＹ方向の幅は一定の値となっている。

次に、コリメート磁石６及び補償磁石７に対して上記の条件を満足する位置に電子源１１を配置し、さらに収束電極１３を設けた場合の電子の閉じ込め作用について説明する。以下の説明では、コリメート磁石７から射出され、前記ターゲットの置かれたチャンバー内でのイオンビームIBの空間電荷効果による発散に注目して説明する。

図１０は従来例であって、コリメート磁石６の近傍に収束電極１３を設けていない場合の磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。図１１は、コリメート磁石６の近傍に収束電極１３を設けた場合に磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を表すシミュレーション結果である。なお、両シミュレーション結果において、収束電極の有無以外の条件は同一である。図１０と図１１を比較してわかるように、収束電極１３を設けた場合、電子の存在する領域が狭くなっていることが分かる。すなわち、本実施形態のイオンビーム照射装置１００の場合、ミラー効果による閉じ込め効果とともに、収束電極１３により形成される電場によって、より狭い領域に電子を閉じ込められることが分かる。

また、図１２は、収束電極１３がない場合のＸＺ方向のイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図１３は、収束電極１３に−５００Vの電圧を印加した際のＸＺ方向のイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。なお、図１３のシミュレーションにおいては、後述する図１４に示すようにアインツェルレンズが形成されるようにイオンビームＩＢの両側をＺ軸方向に挟むよう配置した構成としてある。これらの図からわかるように、収束電極１３を設けて負電位を与えることによって、イオンビームＩＢのＸＺ方向の発散が抑制されていることが分かる。より詳述すると、図１２に示されるように収束電極１３を設けない場合は、イオンビームＩＢの発散が生じ、下流側ほどイオンビームＩＢが若干広がっているのに対して、図１３に示されるように収束電極１３を設けた場合には、発散が抑制されることにより従来の場合の最も幅が狭い部分と略同じ幅を保ったまま略平行にイオンビームＩＢが進行していることがわかる。

上述したような収束電極１３を配置したことによるＸＺ方向のイオンビームＩＢの収束効果についてコリメート磁石６を例にして説明する。当該コリメート磁石６は段落００２５において上述したように、Ｚ方向において相対向する２つの磁極６１と、それらの間を繋ぐヨーク６２と、各磁極６１を励磁する励磁コイル６３とを備えたものである。図１４に示すようにコリメート磁石６においてイオンビームＩＢが通過する上流側と下流側にそれぞれ収束電極１３を配置して、それぞれに等しい負電位を与えるとともに、前記コリメート磁石６の電位、特に前記磁極６１及び前記ヨーク６２の電位をグラウンドとすると、図１４に示すような電場が形成される。この電場はアインツェルレンズと呼ばれる静電レンズの一種と略同じ構造をしており、上流から順に収束電極１３、前記コリメート磁石６の一部を構成する前記磁極６１及び前記ヨーク６２、収束電極１３が３つの電極の働きをする。ここで、各収束電極１３には等しい負電圧が印加されており、各収束電極１３の電位を負電位に保っている。さらに、中央にある前記磁極６１及び前記ヨーク６２の電位を調節することで、レンズ効果を調節できる。図１４から明らかなように、上流側で空間電荷効果により発散が生じ始めていたとしても、下流側ではレンズ効果によって再びＸＺ平面内でイオンビームＩＢを収束させることができる。

さらに、収束電極１３を設けて負電位を与えた場合には、静電的な閉じ込め効果により、電子雲をイオンビームの存在する中心付近に集めることができる。その為、空間電荷効果によるイオンビームＩＢの発散を抑制する効果が高まる。また、磁石周辺の磁場（Ｚ方向）と磁極６１と収束電極１３の間の電場（Ｘ方向）により直交電磁界が形成され、いわゆるExBドリフト（Ｙ方向）により、電子源１１から射出された電子は上記磁極平面間のジグザグ状運動を促進する。例えば、このＥｘＢドリフトを利用すれば、射出された電子をＸＺ平面内で上下に移動させるだけでなく、ＸＹ平面にも移動させることができるので、電子源１１を一部だけに設けたとしても、磁石におけるイオンビームＩＢが入射、射出される全領域に電子雲を形成することもできる。また、イオンビームＩＢをＸＺ平面において挟んで電子源１１を設定している場合には、対向する電子源１１に電子がそれてミラー効果又は電場により反射されることになるので、対向する電子源１１に電子が入射する確率も低下させることができる。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００によれば、電子源をコリメート磁石６及び補償磁石７により形成される磁場勾配領域K内のイオンビームIBの通過領域外に配置し、且つ、電子源１１に対して負電位となる収束電極１３を設けているので、磁場と電場による電子の閉じ込めにより供給された電子を磁場勾配領域K内に閉じ込めることができる。この結果、コリメート磁石６のイオンビーム上流側及び／又は下流側、及び／又は、補償磁石７のイオンビーム上流側及び／又は下流側に電子雲を形成することができ、空間電荷効果によるイオンビームＩＢの発散を抑制することができる。また、電子源１１及び収束電極１３を磁石６、７近傍に設けていることから、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では電子源及び収束電極をビーム平行化器近傍及び補償器近傍に設ける態様について説明したが、その他、イオン源及びターゲットの間に設けられるその他の磁石、例えば質量分離器、エネルギー分離器又は走査器近傍に設けるようにしても良い。また、イオンビーム照射装置に既存の磁石近傍に電子源を設けるだけでなく、別途磁石を設けて、その磁石近傍に電子源を設けることも考えられる。また、各磁石に設ける電子源の数は複数であってもよいし、１つであってもよい。例えば、電子源を磁場勾配領域内に１つしか設けていない場合であっても前述したEｘBドリフトの効果により、イオンビームが通過する領域全体にわたって電子雲を形成することもできる。さらに、前記電子源の電子射出方向は、前記実施形態に示したものに限られない。要するに電子源から電子が磁場勾配領域内に入射するように射出されればよい。

さらに、前記実施形態では、コリメート磁石及び補償磁石を電磁石により構成しているが、永久磁石により構成しても良い。

その上、補償磁石をコリメート磁石の下流側に設けるようにしても良い。また、本発明の効果は、リボン状のイオンビームに対してのみ発揮されるものではなく、例えば、スポット状のイオンビームであっても同様に効果を奏し得る。

また、図１４の説明ではコリメート磁石６において前記収束電極１３と前記磁極６１及び前記ヨーク６２を用いたレンズ効果について説明しているが、前記補償磁石７においても前記コリメート磁石６と同様にアインツェルレンズを形成しても構わない。具体的には、前記補償磁石７を構成する鉄心７１及びコイル７２のうち、前記鉄心７１の電位をグラウンドに設定し、補償磁石７に設けた各収束電極１３の電位を負電位に設定すればよい。

さらに、前記実施形態のように電子源と収束電極を別々に設けてもよいし、例えば電子源と収束電極とを同じ支持部材等で支持し一体のものとしても構わない。また、図１５の断面図に示すように前記電子源の周囲を囲み、電子の射出方向の一部のみ開口したカバー部材により覆うようにしてもよい。そして、このカバー部材を前記カソード基板１１１よりも所定電圧だけ高い負電位にしてある。このように構成することで、電子源１１の電子射出口近傍に射出された電子よりも電位の高い電場を形成しやすくし、電子源１１から射出された電子をより電子源１１内に再び入射しにくくして、電子の寿命を長くすることができる。また、前記収束電極１３と電子源１１との間は、空間を設けることで絶縁してもよいし、絶縁体１４を間に介在させるようにしてもよい。

電子源がイオンビームを挟んで両側にない場合でも、静電レンズとしての作用を十分に発揮させる場合には、収束電極はリボン状のイオンビームに対して面対称に配置してもよい。静電的な作用により電子雲を所定の領域内に長期間滞留させることだけを目的とする場合には、電子源のある片側だけに設けても構わない。

加えて、前記実施形態のシミュレーションでは、電子のエネルギーとして１０ｅＶのものが使用されているが、これに限られず、イオンビームの中和には、低エネルギーの電子が有効であるので、例えば５〜２５ｅＶのエネルギーを有する電子を用いることも考えられる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのはいうまでもない。

１００ ・・・イオンビーム照射装置
IB ・・・イオンビーム
W ・・・ターゲット
２ ・・・イオン源
６ ・・・コリメート磁石
７ ・・・補償磁石
Ｋ ・・・磁場勾配領域
１１ ・・・電子源
１３ ・・・収束電極

Claims (6)

1. イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、
   正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、
   前記イオン源と前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、
   前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内であり、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されており、前記磁場勾配領域に電子を供給する１又は複数の電子源と、
   前記電子源の近傍において前記電子源の電子射出方向が遮られない位置に設けられており、負電圧が印加された収束電極と、を備えたことを特徴とするイオンビーム照射装置。
2. 前記電子源及び前記収束電極が前記イオンビームを挟むように設けられている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
3. 前記電子源は電界放出型電子源である請求項１又は２記載のイオンビーム照射装置。
4. 前記電子源と前記収束電極が一体形成されている請求項１、２又は３記載のイオンビーム照射装置。
5. 前記磁石の電位がグラウンドに設定されている請求項１、２、３又は４記載のイオンビーム照射装置。
6. イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、
   前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源と前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内であり、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されており、前記磁場勾配領域に電子を供給する１又は複数の電子源と、を備え、
   負電圧が印加された収束電極を前記電子源の近傍において前記電子源の電子射出方向が遮られない位置に設けることを特徴とするイオンビーム発散抑制方法。