JP3087139B2 - Mass spectrometer - Google Patents

Mass spectrometer

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JP3087139B2
JP3087139B2 JP03325308A JP32530891A JP3087139B2 JP 3087139 B2 JP3087139 B2 JP 3087139B2 JP 03325308 A JP03325308 A JP 03325308A JP 32530891 A JP32530891 A JP 32530891A JP 3087139 B2 JP3087139 B2 JP 3087139B2
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修一 藤原
恭博 松田
貴敏 山下
裕 井内
幸二 松永
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Nissin Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は一次元的つまり線状に
拡がったイオンビ−ムを得るのに適した質量分析器に関
する。イオン源から出たイオンビ−ムを被処理物に当て
てさまざまの処理をする装置は既に広い範囲で使用され
ている。多くの場合はイオン源の次に扇形磁石を用いた
質量分析器があり、これを通った一定質量のイオンのみ
が被処理物に照射されるようになっている。この場合は
ビ−ムは一本の細い線であり照射部は点である。これで
は処理能力が不足するという場合は走査系を用いてイオ
ンビ−ムを左右に振るようになっている。そうすると線
状つまり一次元のビ−ムを得る。イオンビ−ムの走査は
コイルや電極により交番磁界、交番電界を印加すること
によってなされる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass spectrometer suitable for obtaining a one-dimensionally or linearly spread ion beam. Apparatuses for performing various processes by applying an ion beam emitted from an ion source to an object to be processed have already been used in a wide range. In many cases, a mass analyzer using a sector magnet is provided next to the ion source, and only ions of a constant mass passing through the analyzer are irradiated on the object to be processed. In this case, the beam is a single thin line, and the irradiated part is a point. If the processing capacity is insufficient, the ion beam is swung right and left by using a scanning system. Then, a linear or one-dimensional beam is obtained. The scanning of the ion beam is performed by applying an alternating magnetic field and an alternating electric field using a coil or an electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査系によってビ−ムを左右に走査する
と被処理物の面状では平行なビ−ムに成らず、斜めのビ
−ムになってしまう。イオンビ−ムの線密度も一定でな
い。これが望ましくないと言う場合は、走査系で広げた
ビ−ムを平行ビ−ムに直さなければならない。このよう
な線状ビ−ムを得る装置は例えば図8に示すようなもの
が提案されている。イオン源41で原料ガスがイオン化
し引出し電極系の作用でイオンビ−ムとなる。これは扇
形磁石よりなる質量分析器42に入って円弧状の軌跡を
描く。所望の質量を持つイオンのみが分析スリット43
を通過できる。異なる質量のイオンは円弧軌道の半径が
異なるから分析スリット43を通ることができない。こ
の質量分析器は扇形磁石と出口にある一つの穴を有する
スリットを利用するので細いビ−ム(零次元)しか質量
分析できない。そこで質量分析器を出た後にビ−ムを拡
大する。これがビ−ムスイ−プ電極46である。電極間
に交番電界を印加してイオンビ−ムを左右に振動させ実
質的に一次元的な広がりのあるビ−ムとするのである。
ビ−ムスイ−プ制御器47が交番電圧を発生し前記のビ
−ムスイ−プ電極46に与える。ビ−ム平行化器48が
前方に設けられ斜めに向いたビ−ムを一定方向のビ−ム
に変換する。これも電界または磁界の作用でなされる。
必要な電界または磁界はビ−ム平行化器制御器49によ
って与えられる.これは当然のことであるが、ビ−ムス
イ−プ制御器と同期していなければならない。平行なビ
−ムとなったイオンビ−ムはそのまま被処理物50に照
射される。
2. Description of the Related Art When a beam is scanned left and right by a scanning system, the surface of an object to be processed does not become a parallel beam but an oblique beam. The linear density of the ion beam is not constant. If this is not desired, the beam spread by the scanning system must be turned into a parallel beam. As an apparatus for obtaining such a linear beam, for example, an apparatus as shown in FIG. 8 has been proposed. The raw material gas is ionized by the ion source 41 and turned into an ion beam by the action of the extraction electrode system. This enters a mass analyzer 42 composed of a sector magnet and draws an arc-shaped trajectory. Only ions having a desired mass are analyzed by the analysis slit 43.
Can pass. Ions of different mass cannot pass through the analysis slit 43 because the radii of the arc trajectory are different. Since this mass spectrometer utilizes a sector magnet and a slit having a single hole at the outlet, it can perform mass spectrometry only on a narrow beam (zero dimension). The beam is enlarged after exiting the mass spectrometer. This is the beam sweep electrode 46. By applying an alternating electric field between the electrodes, the ion beam is vibrated to the left and right to form a beam having a substantially one-dimensional spread.
A beam sweep controller 47 generates an alternating voltage and supplies it to the beam sweep electrode 46. A beam collimator 48 is provided at the front and converts the oblique beam into a beam in a fixed direction. This is also done by the action of an electric or magnetic field.
The required electric or magnetic field is provided by beam collimator controller 49. This, of course, must be synchronized with the beam sweep controller. The ion beam, which has become a parallel beam, is irradiated onto the workpiece 50 as it is.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】図8に示すような装置
によって一次元的な広がりを持つビ−ムを実質的に作り
出すことができる。しかしこれは始めに扇形磁石の質量
分析器を用いるために零次元のビ−ムから出発しなけれ
ばならない。一次元的な広がりつまり線状の広がりを持
つビ−ムを扇形磁石の作用では質量分析できないからで
ある。勿論磁石を大きくし磁極間距離を大きくすれば一
次元ビ−ムも質量分析できるはずであるがそうすると必
要な磁束密度を得る為にも磁石が巨大化し装置全体が大
きくなり過ぎる。これを避けるために零次元ビ−ムから
出発しなければならず、ビ−ムを広げる走査系が必要で
ある。また走査系によって線状のビ−ムとしても、被処
理物に直角にイオンが入射するのを要求するものである
場合に、これを平行にするためにビ−ム平行化器を必要
とする。走査系と平行化器とは同期して運転されなけれ
ばならない。また走査系によってビ−ムを左右に振って
も十分な距離がなければビ−ムが拡がらないから走査系
と平行化器との間にはかなりの距離を必要とする。この
ような訳で装置の全体が大きくしかも極めて複雑なもの
となる。
A beam having a one-dimensional spread can be substantially produced by an apparatus as shown in FIG. However, this must first start with a zero-dimensional beam in order to use a sector magnet mass analyzer. This is because a beam having a one-dimensional spread, that is, a linear spread cannot be mass-analyzed by the action of a sector magnet. Of course, if the size of the magnet is increased and the distance between the magnetic poles is increased, the one-dimensional beam should be able to perform mass analysis. However, in order to obtain the required magnetic flux density, the magnet becomes too large and the entire device becomes too large. In order to avoid this, it is necessary to start from a zero-dimensional beam, and a scanning system for expanding the beam is required. Further, even if a linear beam is required by a scanning system, if a beam is required to be incident on the workpiece at right angles, a beam collimator is required to make the beam parallel. . The scanning system and the parallelizer must be operated synchronously. Further, even if the beam is swung right and left by the scanning system, the beam does not spread unless there is a sufficient distance, so that a considerable distance is required between the scanning system and the parallelizer. For this reason, the entire apparatus becomes large and extremely complicated.

【0004】イオン源自体は引出し電極の形状を工夫す
ることによって一次元イオンビ−ムを発生することがで
きる。もともと一次元的な広がりを有するリボン状イオ
ンビ−ムから出発すればこのような走査、平行化という
ような機構は不要である筈である。しかしこのような場
合に従来から最も頻用される扇形磁石による質量分析器
を用いることができない。質量分析器の存在が困難の元
になっている。もちろんイオン源から出た広いビ−ムを
直接に被処理物に照射するということも考えられる。こ
うすると質量分析器の困難を回避できる。しかしこの場
合質量分析しないから異種イオンも混在して被処理物に
照射されるという欠点がある。異種のイオンの照射を排
除したいと言う場合はやはりどこかに質量分析器を入れ
なければならない。一次元的な広がりを有するビ−ムに
ついても質量分析できるようにした質量分析器を提供す
ることが本発明の目的である。
The ion source itself can generate a one-dimensional ion beam by devising the shape of the extraction electrode. If starting from a ribbon-like ion beam which originally has a one-dimensional spread, such a mechanism as scanning and collimating should be unnecessary. However, in such a case, it is not possible to use a mass spectrometer using a sector magnet which is most frequently used in the past. The existence of a mass spectrometer is a source of difficulty. Of course, it is also conceivable to irradiate the object to be processed directly with a wide beam emitted from the ion source. This avoids the difficulties of the mass analyzer. However, in this case, since mass spectrometry is not performed, there is a drawback that the object to be processed is irradiated with a mixture of different ions. If it is desired to eliminate irradiation of different ions, a mass spectrometer must be inserted somewhere. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a mass spectrometer capable of mass spectrometry even for a beam having a one-dimensional spread.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】異極が対向する磁石の対
とこれらと直角の方向に対向する電極の対とを有し磁石
対と電極対の中心をイオンビ−ムが通るようにした分析
単位を複数個直線状に配列した分析列を複数個設け、2
次元的な広がりのあるイオンビ−ムを通し一定質量のイ
オンのみを一直線上に収束させるようにしたものであ
る。対向磁石は隣接する分析単位において同一方向に並
ぶようにする。つまり隣接分析単位は同一の磁石を共有
するようにする。質量分析の原理は扇形磁石を用いるも
のとは異なり電界と直交磁界によるものでウイ−ンフィ
ルタと呼ばれることもある。電界と磁界の中で荷電粒子
がこれらに直角方向に走行する時、速度vがE/Bに等
しいもののみがこれを真っすぐに通過できるという性質
を利用する。このような分析単位を2列あるいは3列ま
たはそれ以上の列に並べる。同一の列の内部では磁界の
方向、電界の方向が同一であるようにする。先述のよう
に永久磁石は隣接分析単位において共有できるが、電界
を発生するための電極はこれを共有することはできな
い。個々の分析単位が一対の電極を持つ必要がある。つ
まりj列のi番目の分析単位をQijとすると、同一のj
に対しては磁界、電界の方向は同一である。しかしなが
ら異なる分析列に属する分析単位は、同じ磁界、電界を
持つとは限らない。隣接分析列の間では、磁石の位置が
半ピッチずれておりしかも磁界と電界の方向が反対にな
っている。つまり複数列の分析列に対して磁界電界の向
きが順に反転してゆくように決めているのである。行の
数をm、列の数をnとする。列数nは2以上であればよ
い。列数nが大きければイオンビ−ムが強くなる。行数
mはもっと大きいことが要求される。行の長さは必要と
されるイオンビ−ムの線の長さに等しい。つまり長さS
のイオンビ−ムが要求されるのであれば、分析単位のピ
ッチをaとしてam=Sとなるようにa、mの値を決定
するべきである。こうすることによって走査機構を不要
とし、しかも平行なビ−ムが得られるのである。
SUMMARY OF THE INVENTION An analysis in which an ion beam passes through the center of a magnet pair and a pair of electrodes having a pair of magnets having opposite poles and a pair of electrodes facing at right angles thereto. A plurality of analysis rows in which a plurality of units are linearly arranged are provided.
Only ions having a constant mass are converged on a straight line through an ion beam having a dimensional spread. The opposing magnets are arranged in the same direction in adjacent analysis units. That is, adjacent analysis units share the same magnet. The principle of mass spectrometry is different from that using a sector magnet, and is based on an electric field and an orthogonal magnetic field, and is sometimes called a Wien filter. When charged particles travel in a direction perpendicular to them in an electric field and a magnetic field, the property that only those whose velocity v is equal to E / B can pass straight through them is used. Such analysis units are arranged in two, three, or more rows. The direction of the magnetic field and the direction of the electric field are the same inside the same row. As described above, the permanent magnet can be shared between adjacent analysis units, but the electrodes for generating the electric field cannot be shared. Each analysis unit must have a pair of electrodes. That is, if the i-th analysis unit in the j-th column is Q ij , the same j
, The directions of the magnetic field and the electric field are the same. However, analysis units belonging to different analysis columns do not always have the same magnetic field and electric field. Between adjacent analysis rows, the positions of the magnets are shifted by a half pitch, and the directions of the magnetic field and the electric field are opposite. That is, the direction of the magnetic field and the electric field is determined so as to be sequentially inverted with respect to the plurality of analysis rows. The number of rows is m and the number of columns is n. The number n of columns may be two or more. If the number of rows n is large, the ion beam becomes strong. The number of rows m is required to be larger. The line length is equal to the required ion beam line length. That is, the length S
Is required, the values of a and m should be determined so that am = S, where a is the pitch of the analysis unit. This eliminates the need for a scanning mechanism and provides a parallel beam.

【0006】[0006]

【作用】直交する磁界電界の作用で質量分析するウイ−
ンフィルタは公知である。これを分析単位として行列状
に多数並べる。行方向には磁石の磁界が平行になるし、
列方向には電極間に生ずる電界が平行になるようにす
る。そして分析列では磁界電界の方向は一定としてい
る。同一の質量を持つイオンは同一の分析列で同一方向
に曲げられるから必ず平行なビ−ムになる。分析単位の
ピッチがaで、行数がmであるのでmaの広がりを持つ
ビ−ムとなる。隣接する分析列の間では磁界電界の方向
は逆である。この分析列から出るイオンビ−ムも同じ質
量を持つイオンであれば平行になる。隣接分析列間でイ
オンビ−ムが通る穴も磁石も半ピッチずれている。これ
は隣接磁石の間での磁力線の干渉を少なくし磁場の乱れ
を最小にするためである。ただし行数はmとm+1とい
うように1だけ異なっても良い。方向関係を簡単に整理
する。イオンビ−ムの方向をz方向、行方向つまり磁界
の方向をy方向とする。列方向つまり電界の方向をx方
向とする。y方向に分析単位が並ぶ。x方向に分析列が
並ぶ。ある分析列では磁界は(0,−B,0)、電界は
(−E,0,0)で示される。イオンの速度ベクトルは
(0,0,v)であり,適当な質量のイオンに対しては
ロ−レンツ力が0になるようになっている。これと偶数
列番だけ異なる分析列は同一の磁界電界を有する。奇数
列番だけ異なる分析列は逆の磁界電界を持つ。つまり
(0,B,0)の磁界、(E,0,0)の電界を持つよ
うになっている。こういうような磁界と電界を発生させ
るために分析列において磁石はy方向に極性が異なるよ
うに並べなければならない。また電極はx方向に対向す
るように設けられる。
[Function] A wire for mass analysis by the action of an orthogonal magnetic field and electric field.
Filters are well known. A large number of these are arranged in a matrix as an analysis unit. The magnetic field of the magnet becomes parallel in the row direction,
The electric field generated between the electrodes is made parallel in the column direction. In the analysis row, the direction of the magnetic field and the electric field is constant. Since ions having the same mass are bent in the same direction in the same analysis row, they always become parallel beams. Since the pitch of the analysis unit is a and the number of rows is m, the beam has a spread of ma. The directions of the magnetic field and the electric field are reversed between adjacent analysis rows. The ion beams coming out of this analysis line are also parallel if they have the same mass. The holes through which the ion beams pass and the magnets are shifted by a half pitch between adjacent analysis rows. This is to reduce the interference of the lines of magnetic force between the adjacent magnets and to minimize the disturbance of the magnetic field. However, the number of rows may differ by 1 such as m and m + 1. Easily organize directional relationships. The direction of the ion beam is the z direction, and the direction of the row, that is, the direction of the magnetic field is the y direction. The column direction, that is, the direction of the electric field is defined as the x direction. The analysis units are arranged in the y direction. The analysis rows are arranged in the x direction. In one analysis row, the magnetic field is indicated by (0, -B, 0) and the electric field is indicated by (-E, 0, 0). The velocity vector of the ions is (0, 0, v), and the Lorentz force is zero for ions having an appropriate mass. Analysis columns that differ from this by even column numbers have the same magnetic field. Analysis columns that differ by odd column numbers have opposite magnetic field fields. That is, it has a magnetic field of (0, B, 0) and an electric field of (E, 0, 0). In order to generate such magnetic and electric fields, the magnets in the analysis train must be arranged with different polarities in the y direction. The electrodes are provided so as to face each other in the x direction.

【0007】横の広がりつまりy方向の広がりは対象で
ある被処理物の照射幅Sに等しくする。これはひとつの
分析列の長さである(ma=S)。質量分析器全体の縦
の広がりは列方向のピッチをbとしてW=bnである。
中点の位置は(n+1)/2であるがこれを中心に持っ
てくる座標を考えるので、j番目の分析列のy方向の位
置はb{(n+1)/2−j}となる。先に述べたよう
に目的は一次元イオンビ−ムを作ることである。縦方向
の広がりが零になるように各分析列からのイオンビ−ム
を収束させなければならない。質量分析器と前方に置か
れたスリットまたは被処理物との距離をLとする。質量
分析器の出口のz座標をz=0とする。収束すべき点は
z=Lである。z=0において、j番目の分析列のx方
向の位置が、 xj =b{(n+1)/2−j} (1) になる。これがLだけ進行して(z=L)x=0に収束
するのだから、偏角Θjは、 Θj =tan-1 b{(n+1)/2−j}/L (2) でなければならない。つまり分析列jはこれが丁度中間
の分析列でない限り0でない偏角を持つということであ
る。そうでなければ質量分析器を出たイオンビ−ムが距
離Lの地点で一線に収束しない。
The horizontal spread, that is, the spread in the y direction, is made equal to the irradiation width S of the object to be processed. This is the length of one analysis sequence (ma = S). The vertical spread of the entire mass analyzer is W = bn, where b is the pitch in the column direction.
The position of the middle point is (n + 1) / 2, but considering the coordinates brought about the center, the position of the j-th analysis column in the y direction is b {(n + 1) / 2-j}. As mentioned above, the purpose is to create a one-dimensional ion beam. The ion beams from each analysis row must be converged so that the vertical spread is zero. Let L be the distance between the mass analyzer and the slit or workpiece placed in front. Let the z coordinate of the exit of the mass analyzer be z = 0. The point to converge is z = L. At z = 0, the position of the j-th analysis column in the x direction is x j = b {(n + 1) / 2−j} (1). Since this progresses by L and converges to (z = L) x = 0, the argument Θ j is not Θ j = tan −1 b {(n + 1) / 2-j} / L (2) No. That is, the analysis sequence j has a non-zero argument unless it is exactly the middle analysis sequence. Otherwise, the ion beam exiting the mass analyzer will not converge at a distance L.

【0008】そのような偏角を持たせることは簡単であ
る。所望の質量、エネルギ−を持つイオンビ−ムに対し
て、磁石の力と電界の力が食い違うようにすればいいの
である。こうするために磁界を一定にし電界を分析列毎
に変えるということが可能である。反対に電界を一定に
し磁界を変えるということも可能である。もちろん両方
とも少しずつ変化させても良い。例えば磁場Bを一定だ
と仮定する。これをB0 とする。所望のイオンビ−ムの
z方向の速度をwとすると、中心位置の分析列の電界E
はwB0 である。これを基準電界E0 (=wB0 )とし
て各分析列での基準電界からのずれを求めよう。質量分
析器の厚みをhとする。つまり磁界電界の作用する長さ
がhであるとするのである。これを通過する時に、電界
の強さが基準電界よりΔE大きいとして、超過の力は qΔE (3) である。イオンは質量分析器をh/wの時間で通過する
のでここで受ける力積は qΔEh/w (4) となる。これがx方向の速度の増加になるから、力積を
イオンの質量Mで割ってx方向の速度uが u=qΔEh/Mw (5) となる。Θj が±u/wであれば、z方向にLだけ先
で、各分析列からのイオンビ−ムがx=0に収束する筈
であるから、j番目の分析列の超過電界ΔEj は、 ΔEj =(−1)j Mw2 b{(n+1)/2−j}/hqL (6) となるのである。ただし先頭の(−1)j は、隣接分析
列毎に磁界電界の方向が逆転していることによる因子で
ある。つまり奇数番目の分析列は電界が−xの方向にあ
れば、偶数番目の分析列は電界が+x方向にあることに
よる。
It is easy to have such a declination. The force of the magnet and the force of the electric field should be different for the ion beam having the desired mass and energy. To do this, it is possible to keep the magnetic field constant and change the electric field for each analysis row. Conversely, it is also possible to keep the electric field constant and change the magnetic field. Of course, both may be changed little by little. For example, assume that the magnetic field B is constant. This is B 0 . Assuming that the velocity of the desired ion beam in the z direction is w, the electric field E of the analysis row at the center position
Is wB 0 . Let this be the reference electric field E 0 (= wB 0 ), and determine the deviation from the reference electric field in each analysis row. Let h be the thickness of the mass analyzer. That is, it is assumed that the length of the action of the magnetic field is h. When passing through this, the excess force is qΔE (3), assuming that the electric field strength is ΔE greater than the reference electric field. Since the ions pass through the mass analyzer for a time of h / w, the impulse received here is qΔEh / w (4). Since this increases the velocity in the x direction, the impulse is divided by the mass M of the ion, and the velocity u in the x direction becomes u = qΔEh / Mw (5). If Θ j is ± u / w, since the ion beam from each analysis row should converge to x = 0 before L in the z direction, the excess electric field ΔE j of the j-th analysis row is , ΔE j = (− 1) j Mw 2 b {(n + 1) / 2−j} / hqL (6) However, (−1) j at the beginning is a factor due to the direction of the magnetic field and the electric field being reversed for each adjacent analysis row. That is, if the electric field is in the −x direction in the odd-numbered analysis row, the electric field is in the + x direction in the even-numbered analysis row.

【0009】(6)式を見れば本発明の好都合な性質の
ひとつが明らかになる。この式は入射イオンビ−ムのエ
ネルギ−を含む式である。速度wのみを含むのではな
い。もしも速度wをそのまま含むのであればイオンビ−
ムのエネルギ−を変えた時に、これを各分析列について
収束させるために速度wを計算し、これによって各分析
列の超過電界の大きさを計算しなおさなければならな
い。イオンビ−ムの種類が異なれば同じエネルギ−であ
っても、速度が違うのでイオンの変更についても電界の
値を計算し直す必要がある。本発明ではそうではなく、
偏向角の式の分母にイオンの速度ではなくエネルギ−が
入っている。エネルギ−はイオン源の加速エネルギ−に
等しいのですぐに分かる。またイオン種によらない。従
ってどのようなイオンを照射する場合であっても、加速
エネルギ−が一定であれば、各分析列の超過電界の値Δ
j を変更しなくても良いのである。各分析列の電界の
大きさEj は、 Ej =E0 + ΔEj (7) によって決まる。超過電界の大きさがイオン種に依らず
一定であることからこの質量分析器が質量分析できない
のではないか?という疑問が起こるかも知れない。しか
しそうではない。質量分析作用は直交する磁界と電界の
作用で行われているのである。ここで問題にしているの
は質量分析はできたものとして所望のイオン種をz=L
の地点で、一線x=0に収束させるための条件をもとめ
ているのである。
Equation (6) reveals one of the advantageous properties of the present invention. This equation includes the energy of the incident ion beam. It does not include only the speed w. If the velocity w is included as it is, the ion beam
When the energy of the system is changed, the velocity w must be calculated in order to make it converge for each analysis row, thereby recalculating the magnitude of the excess electric field of each analysis row. If the type of ion beam is different, even if the energy is the same, the speed is different, so that it is necessary to recalculate the value of the electric field even when the ion is changed. Not so in the present invention,
The denominator in the deflection angle equation contains energy, not ion velocity. The energy is readily apparent since it is equal to the acceleration energy of the ion source. It does not depend on the ion species. Therefore, no matter what kind of ions are irradiated, if the acceleration energy is constant, the value of the excess electric field Δ
It is not necessary to change E j . The magnitude E j of the electric field in each analysis row is determined by E j = E 0 + ΔE j (7). Isn't this mass spectrometer capable of mass spectrometry because the magnitude of the excess electric field is constant regardless of the ion species? The question may arise. But it is not. Mass spectrometry is performed by the action of orthogonal magnetic and electric fields. The problem here is that the mass spectrometry has been completed and the desired ion species is z = L
At the point, the condition for converging to the line x = 0 is determined.

【0010】上記の式は磁界を一定値として電界を分析
列によって変更したものである。これとは逆に磁界の大
きさを変化させ電界は同一とすることもできる。磁石は
分析単位では共有されているのであるが、共有する分析
単位は同一の分析列に属しているからこれが可能であ
る。基準磁界をB0 とし、一定電界をE0 とするとE0
=wB0 である。超過磁界ΔBj は ΔBj =(−1)j Mwb{(n+1)/2−j}/hqL (8) によって与えられる。ただし永久磁石を用いる場合は磁
界の値を変更できないから、この式に従ってビ−ムをz
=Lで収束させるためには速度wが固定されてしまう。
しかし磁石を全て電磁石にすればこのような制御をする
ことは簡単である。各分析列の磁界Bj は、基準磁界に
超過磁界を加えた Bj =B0 +ΔBj (9) となる。
In the above equation, the electric field is changed by the analysis sequence with the magnetic field being a fixed value. Conversely, the magnitude of the magnetic field can be changed to make the electric field the same. The magnet is shared by the analysis units, but this is possible because the shared analysis units belong to the same analysis column. If the reference magnetic field is B 0 and the constant electric field is E 0 , E 0
= WB 0 . The excess magnetic field ΔB j is given by ΔB j = (− 1) j Mwb {(n + 1) / 2−j} / hqL (8) However, when a permanent magnet is used, the value of the magnetic field cannot be changed.
To converge at = L, the speed w is fixed.
However, such control is easy if all magnets are electromagnets. The magnetic field B j of each analysis row is B j = B 0 + ΔB j (9) obtained by adding the excess magnetic field to the reference magnetic field.

【0011】[0011]

【実施例】図1に本発明の実施例にかかる質量分析器を
含んだイオン照射装置の概略構成を示す。イオン源10
は原料ガスを導入しこれを放電によって励起しプラズマ
を生成するものである。内部にカソ−ドフィラメントや
熱輻射を押さえるための輻射シ−ルドを含みチャンバと
カソ−ドフィラメントの間にア−ク放電を起こさせてガ
スを励起する。また外部には永久磁石があって内部にカ
スプ磁場を形成するようになっている。また別異のイオ
ン源もある。イオン源の構造原理は任意である。これを
引出し電極11によってイオンビ−ムとして引出す。こ
れは正電極、負電極、接地電極の3枚の電極に穴を多数
個穿ったものである。穴の位置は後に述べる質量分析器
のイオンの通過穴に合致しなければならない。正電極に
は正の高電圧が印加される。これが加速電圧である。負
電極は小さい負の電圧が加えられる。引出し電極系11
の前方には本発明のE×B型質量分析器12が設けられ
る。ここでは2本のビ−ム20を描いているが、これは
分析列を2列だけ持つ実施例だからである。n個の分析
列を持つものであればn本のビ−ムが出る。ただしこれ
は線状のビ−ムを作ろうとする際にその線に平行な方向
から見ているからである。これと直角の方向にはもっと
数多いm本のビ−ムが見えるはずである。質量分析器の
前方Lの位置に分析スリット13がある。さらにその背
後には被処理物であるビ−ムタ−ゲット14が設けられ
る。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ion irradiation apparatus including a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention. Ion source 10
Is to introduce a source gas and excite it by discharge to generate plasma. It contains a cathode filament and a radiation shield for suppressing thermal radiation and causes an arc discharge between the chamber and the cathode filament to excite the gas. There is a permanent magnet outside and a cusp magnetic field inside. There are also different ion sources. The structural principle of the ion source is arbitrary. This is extracted as an ion beam by the extraction electrode 11. This is one in which a large number of holes are formed in three electrodes, a positive electrode, a negative electrode, and a ground electrode. The position of the hole must correspond to the ion passage hole of the mass spectrometer described later. A positive high voltage is applied to the positive electrode. This is the acceleration voltage. A small negative voltage is applied to the negative electrode. Extraction electrode system 11
Is provided with an E × B-type mass analyzer 12 of the present invention. Here, two beams 20 are illustrated, because this is an embodiment having only two analysis columns. If there are n analysis columns, n beams are emitted. However, this is because a linear beam is viewed from a direction parallel to the line when the beam is to be formed. At a right angle to this, you should see many more m beams. An analysis slit 13 is provided at a position L in front of the mass analyzer. Further, a beam target 14 as an object to be processed is provided behind it.

【0012】ビ−ムの走行方向をz軸、線状にビ−ムを
収束させる方向をy軸とする。図1はxz面を現してい
る。質量分析器の厚みをhとする。図2は質量分析器の
拡大断面図である。y方向に分析単位が並んでいる。分
析単位というのは一対の異極の対向する磁石15と、こ
れらと直交する方向の一対の電極16とよりなってい
る。電極は静電界を印加するためのものである。正電極
はpで、負電極はnで示した。磁石はy方向に対向す
る。N極をNで、S極をSで表現した。磁界は従ってy
方向に生ずる。イオンビ−ムはz方向に磁界電界の中を
通過する。ビ−ム断面は各分析単位において一様であ
る。これは引出し電極のビ−ム穴17に等しい。図3に
は引出し電極のビ−ム穴を示す。3枚の電極板があるが
全て同じ配列の穴を有する。質量分析器のビ−ム直角方
向の寸法とほぼ同一の広がりをもち穴の位置は各分析単
位の中心に対応している。各分析単位において電極はx
方向に対向するように設けられる。電界はx方向に生ず
る。このような分析単位がm個y方向に並んでいる。2
列の分析列についていずれも対向磁石、対向電極を持
つ。
The traveling direction of the beam is defined as the z-axis, and the direction in which the beam is converged linearly is defined as the y-axis. FIG. 1 shows the xz plane. Let h be the thickness of the mass analyzer. FIG. 2 is an enlarged sectional view of the mass analyzer. The analysis units are arranged in the y direction. The analysis unit is composed of a pair of magnets 15 of opposite polarity and a pair of electrodes 16 in a direction orthogonal to these. The electrodes are for applying an electrostatic field. The positive electrode is indicated by p and the negative electrode is indicated by n. The magnets oppose each other in the y direction. The N pole is represented by N and the S pole is represented by S. The magnetic field is therefore y
Occurs in the direction. The ion beam passes through the magnetic field in the z-direction. The beam cross section is uniform in each analysis unit. This is equivalent to the beam hole 17 of the extraction electrode. FIG. 3 shows a beam hole of the extraction electrode. There are three electrode plates but all have the same array of holes. It has almost the same extent as the dimension of the mass analyzer in the direction perpendicular to the beam, and the position of the hole corresponds to the center of each analysis unit. The electrode in each analysis unit is x
It is provided so that it may oppose a direction. An electric field is generated in the x direction. There are m such analysis units arranged in the y direction. 2
Each of the analysis rows has a counter magnet and a counter electrode.

【0013】しかし磁石の向き、電極の向きが、異なる
分析列について逆になっている。左方の分析列において
は磁場の向きは−y方向(下向き)、電界の向きは−x
方向(右向き)になっている。右方の分析列においては
磁場の向きは+y方向、電界の向きは+x方向である。
左方の分析列はm個の分析単位を持ち、右方の分析列は
m−1の分析単位をもつように書かれているが両方とも
m個の分析単位を持つようにしても良い。その場合ビ−
ムはxy面で2×m本のビ−ムとなる。しかしこの実施
例ではm本、(m−1)本のビ−ムである。各分析列は
半ピッチだけy方向にずれている。これは既に述べた通
りである。その理由は後に説明する。分析単位は単独で
質量分析作用がある。直交する電界と磁界によりイオン
に対して互いに反対方向に力を及ぼす。丁度力の均衡す
るのが所望のイオンビ−ムになるように電界磁界の値を
調節してある。これがm個並んだ分析列についての作用
も同様である。ただしm個直線状に並んでいるからこれ
を通過したビ−ムは断面図が直線状に拡がっている。通
常のウイ−ンフィルタであれば所望のイオンは直線的に
z方向に真っすぐに通過するよう設定されている。しか
し本発明では2組の分析列からのビ−ムが一本のリボン
状に収束しなければならない。それゆえ、電界または磁
界の大きさが左右の分析列について少し異なっている。
磁界を一定とすれば、式(6)から、n=2、j=1と
して、左方の分析列については、
However, the direction of the magnet and the direction of the electrode are reversed for different analysis rows. In the analysis row on the left, the direction of the magnetic field is in the -y direction (downward), and the direction of the electric field is -x
Direction (rightward). In the analysis row on the right, the direction of the magnetic field is in the + y direction and the direction of the electric field is in the + x direction.
The left analysis column has m analysis units and the right analysis column has m-1 analysis units, but both may have m analysis units. In that case bee
The beam becomes 2 × m beams in the xy plane. However, in this embodiment, there are m and (m-1) beams. Each analysis row is shifted by a half pitch in the y direction. This is as described above. The reason will be described later. The analysis unit alone has a mass spectrometry effect. The orthogonal electric and magnetic fields exert forces on the ions in opposite directions. The value of the electric field magnetic field is adjusted so that the desired ion beam just balances the force. The same applies to the analysis sequence in which m analysis columns are arranged. However, since the m beams are arranged in a straight line, the cross section of the beam passing therethrough is expanded in a straight line. In a normal Wien filter, desired ions are set to pass straight and straight in the z direction. However, in the present invention, the beams from the two sets of analysis rows must converge in a single ribbon. Therefore, the magnitude of the electric or magnetic field is slightly different for the left and right analysis rows.
Assuming that the magnetic field is constant, from equation (6), n = 2 and j = 1, and for the analysis column on the left,

【0014】ΔE1 =−Mw2 b/2hqL (10) 右方の分析列についてはn=2、j=2として ΔE2 =−Mw2 b/2hqL (11) となる。これはたまたま一致するが、3列以上になると
この値は異なってくる。電界は基準電界E0 =wB0
これらの超過電界を加えた値になる。つまり第1の分析
列の電界は、E1 はE0 +ΔE1 、第2の分析列の電界
は、E2 =E0 +ΔE2 である。図4は4つの分析列を
有する質量分析器の例である。これは隣接した分析列が
互いに逆方向の電界磁界を有する。各分析列が半ピッチ
だけずれている点も前例と同じである。これも磁界を全
ての磁石について一定とすれば、各分析列の超過電界Δ
j は、n=4として、j=1、2、3、4に対して、
ΔE 1 = −Mw 2 b / 2hqL (10) For the analysis column on the right side, ΔE 2 = −Mw 2 b / 2hqL (11), where n = 2 and j = 2. This happens to coincide, but this value differs for more than two columns. The electric field is a value obtained by adding these excess electric fields to the reference electric field E 0 = wB 0 . That electric field of the first analysis column, E 1 is E 0 + Delta] E 1, electric field of the second analysis column is E 2 = E 0 + ΔE 2 . FIG. 4 is an example of a mass analyzer having four analysis columns. This means that adjacent analysis columns have electric fields in opposite directions. The point that each analysis row is shifted by a half pitch is also the same as the previous example. Again, if the magnetic field is constant for all magnets, the excess electric field Δ
E j is n = 4, and j = 1, 2, 3, and 4,

【0015】 ΔE1 =−3Mw2 b/2hqL (12) ΔE2 =+Mw2 b/2hqL (13) ΔE3 =−Mw2 b/2hqL (14) ΔE4 =+3Mw2 b/2hqL (15) ということになる。いずれにしてもイオンの速度がエネ
ルギ−の形で入ってくるだけであるので調整は容易であ
る。磁石の数を減少することもできる。この場合は同一
対向磁石の中に同方向の極性の電極を2組設けるように
すると良い。この実施例を図5に示す。ここに於いて磁
石については2列しかないがこれは分析単位を2個ずつ
持つので分析列としては4列あるのである。一組の対向
永久磁石の間に正極、負極、正極、負極というふうに並
んでいる。この場合の電界の基準電界からの超過電界Δ
j は前記のものと少し違う。j=1、2およびj=
3、4において電界磁界の方向が同一だからである。 ΔE1 =−3Mw2 b/2hqL (16) ΔE2 =−Mw2 b/2hqL (17) ΔE3 =+Mw2 b/2hqL (18) ΔE4 =+3Mw2 b/2hqL (19)
ΔE 1 = −3 Mw 2 b / 2hqL (12) ΔE 2 = + Mw 2 b / 2hqL (13) ΔE 3 = −Mw 2 b / 2hqL (14) ΔE 4 = + 3 Mw 2 b / 2hqL (15) Will be. In any case, the adjustment is easy because the velocity of the ions only enters in the form of energy. The number of magnets can also be reduced. In this case, it is preferable to provide two pairs of electrodes having the same polarity in the same opposed magnet. This embodiment is shown in FIG. Here, the magnet has only two rows, but since it has two analysis units, there are four analysis rows. The cathode, anode, cathode, and anode are arranged between a pair of opposed permanent magnets. Excess electric field Δ of the electric field in this case from the reference electric field
E j is slightly different from the above. j = 1, 2, and j =
This is because the direction of the electric field magnetic field is the same in 3 and 4. ΔE 1 = −3 Mw 2 b / 2hqL (16) ΔE 2 = −Mw 2 b / 2hqL (17) ΔE 3 = + Mw 2 b / 2hqL (18) ΔE 4 = + 3 Mw 2 b / 2hqL (19)

【0016】このように一つの磁石の中に同一方向の電
極板2組を設けるものであれば、分析列の数nは偶数
で、超過電界ΔEj は、k=[j/2−0.5]として
整数kを定義し、(6)の代わりに、 ΔEj =(−1)k Mw2 b{(n+1)/2−j}/hqL (6) と書くことができる。但し[x]はxの整数部分のみを
取るという記号である。図6によって隣接分析列の分析
単位を半ピッチずらす理由を説明する。図6(a)に分
析単位をずらさないものを示す。この場合磁石の磁極方
向が逆転しているから隣接磁石は強い引力を及ぼしあ
う。そのため磁力線は一つの磁石から対向磁石に向かわ
ず、隣接磁石の方へ向かう。隣接磁石間で磁力線の大部
分が使われるために対向磁石間の磁力線が不足する。つ
まり対向磁石間で磁界が弱くなる。すると質量分析器と
しての機能が低下する。隣接分析単位での磁石が干渉し
合うとこのような難点が生ずるので、図6の(b)に示
すように半ピッチずらしてある。こうすると隣接磁石間
では同極が対向するから磁力線がこの間に交換されると
いうことはなく端部の磁力線は自身の異極の方向へ回っ
て行くだけである。こうすると磁石の磁場エネルギ−の
殆どを質量分析のために使うことができる。このような
訳で、隣接する分析列では分析単位を半ピッチずらして
あるのである。
As described above, if two sets of electrode plates in the same direction are provided in one magnet, the number n of analysis rows is an even number, and the excess electric field ΔE j is k = [j / 2-0. 5], an integer k can be defined, and instead of (6), ΔE j = (− 1) k Mw 2 b {(n + 1) / 2−j} / hqL (6) Here, [x] is a symbol that takes only an integer part of x. The reason for shifting the analysis unit of the adjacent analysis row by a half pitch will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows an example in which the analysis unit is not shifted. In this case, since the directions of the magnetic poles of the magnets are reversed, adjacent magnets exert a strong attractive force. Therefore, the lines of magnetic force do not go from one magnet to the opposing magnet, but to the adjacent magnet. Since most of the magnetic field lines are used between the adjacent magnets, the magnetic field lines between the opposed magnets are insufficient. That is, the magnetic field is weakened between the opposed magnets. Then, the function as a mass spectrometer is reduced. Since such difficulties occur when magnets in adjacent analysis units interfere with each other, they are shifted by a half pitch as shown in FIG. 6B. In this case, since the same poles are opposed between the adjacent magnets, the magnetic field lines are not exchanged during this time, and the magnetic field lines at the end portions only turn in the direction of their own different poles. In this way, most of the magnetic field energy of the magnet can be used for mass analysis. For this reason, the analysis units are shifted by a half pitch in the adjacent analysis rows.

【0017】ただし図5に示したように電界磁界の向き
を隣接分析列で同一にする場合は勿論分析単位を半ピッ
チずらす必要はない。いずれの実施例においてもz方向
に進む複数本のイオンビ−ムをy方向には収束させずx
方向に収束させ強い密度を持つ線状のイオンビ−ムを得
ることができる。図7は磁石の終端部を示す。このよう
に磁石の位置が半ピッチずれており磁極の方向が異なっ
ているものは、両方の終端に強磁性体の材料を接合させ
て終端させる。終端はN極とS極が出ているのであるか
ら、磁力線が強磁性体の中を通って一方の磁石から他方
の磁石に入るので磁力の損失が無い。また磁場が外部に
漏れて外部の装置に悪影響を及ぼすということもない。
However, in the case where the direction of the electric field and the direction of the electric field are the same in the adjacent analysis rows as shown in FIG. 5, it is of course unnecessary to shift the analysis unit by a half pitch. In each embodiment, a plurality of ion beams traveling in the z-direction are not converged in the y-direction, and x
It is possible to obtain a linear ion beam having a strong density by converging in the direction. FIG. 7 shows the end of the magnet. In the case where the magnets are displaced by a half pitch and the directions of the magnetic poles are different as described above, the ferromagnetic material is joined to both ends to terminate. Since the N-pole and the S-pole are at the end, the lines of magnetic force pass through the ferromagnetic material from one magnet to the other, so that there is no loss of magnetic force. Further, the magnetic field does not leak to the outside and adversely affect external devices.

【0018】[0018]

【発明の効果】多数のイオンビ−ム通し穴から出たイオ
ンビ−ムを質量分析しながらある方向には収束させず他
の方向には収束させリボン状断面をもつ線状イオンビ−
ム束を得ることができる。図8のものは1本のビ−ムを
左右に走査して広げるので、質量分析器とビ−ム平行化
器の間に長い距離を必要としたが、本発明では初めから
ビ−ムは拡がっているのでそのような距離は不要であ
る。被処理物が線状イオンビ−ムの広がりの方向と直角
に移動する幅広の帯状部材であればイオン注入の能率が
極めて良くなる。1本のイオンビ−ムを扇形磁石を通し
て質量分析してから走査して線状に広げるものに比べて
操作が容易でより大きい電流量のイオンビ−ムを得るこ
とができる。
According to the present invention, a linear ion beam having a ribbon-shaped cross section is condensed in one direction without converging in one direction while mass analysis is performed on the ion beam exiting from a large number of ion beam through holes.
You can get a bunch of mums. In FIG. 8, one beam is scanned left and right and spread, so that a long distance is required between the mass spectrometer and the beam collimator. In the present invention, the beam is used from the beginning. Such a distance is unnecessary because it is wide. If the object to be processed is a wide band-shaped member that moves at right angles to the direction of the spread of the linear ion beam, the efficiency of ion implantation is extremely improved. The operation is easier and an ion beam having a larger current amount can be obtained as compared with a method in which one ion beam is mass-analyzed through a fan-shaped magnet and then scanned and spread linearly.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の質量分析器を用いたイオンビ−ム照射
装置の概略構成図。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion beam irradiation apparatus using a mass analyzer of the present invention.

【図2】分析列が2列である本発明の実施例に係る質量
分析器の概略正面図。
FIG. 2 is a schematic front view of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention having two analysis columns.

【図3】図2に示す本発明の質量分析器の直前に設けら
れる引出電極の穴の分布例を示す正面図。
FIG. 3 is a front view showing an example of distribution of holes of extraction electrodes provided immediately before the mass spectrometer of the present invention shown in FIG. 2;

【図4】分析列が4列である本発明の実施例に係る質量
分析器の概略正面図。
FIG. 4 is a schematic front view of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention having four analysis rows.

【図5】分析列が4列である本発明の他の実施例に係る
質量分析器の概略正面図。
FIG. 5 is a schematic front view of a mass spectrometer according to another embodiment of the present invention having four analysis rows.

【図6】隣接分析列の磁界方向が逆方向である場合に分
析単位を半ピッチずらした方が良い事を説明するための
磁力線分布を閉めす図。(a)が半ピッチずらしていな
いもので、(b)が半ピッチずらしたものである。
FIG. 6 is a diagram for closing a magnetic field line distribution for explaining that it is better to shift an analysis unit by a half pitch when the magnetic field direction of an adjacent analysis row is opposite. (A) is the one shifted by a half pitch, and (b) is the one shifted by a half pitch.

【図7】隣接分析列の終端部において磁力線の外部への
漏れを防ぐ構成を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration for preventing a line of magnetic force from leaking outside at the end of an adjacent analysis row.

【図8】線状のビ−ムを得るための扇形磁石の質量分析
器を用いたイオンビ−ム照射装置の概略構成図。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an ion beam irradiation apparatus using a fan-shaped magnet mass analyzer for obtaining a linear beam.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 イオン源 11 引出し電極 12 質量分析器 13 分析スリット 14 ビ−ムタ−ゲット 15 永久磁石 16 電極 17 ビ−ム断面 20 イオンビ−ム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion source 11 Extraction electrode 12 Mass analyzer 13 Analysis slit 14 Beam target 15 Permanent magnet 16 Electrode 17 Beam cross section 20 Ion beam

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 貴敏 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (72)発明者 井内 裕 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (72)発明者 松永 幸二 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−97363(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 49/00 - 49/42 H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/05 H01J 37/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takatoshi Yamashita 47 Nisshin Electric Co., Ltd., Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto-shi (72) Inventor Hiroshi Inuchi 47 Nisshin Electric Co., Ltd. 47 Umezu-Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto-shi ( 72) Inventor Koji Matsunaga 47 Nisshin Electric Co., Ltd. 47 Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto (56) References JP-A-1-97363 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB H01J 49/00-49/42 H01J 27/00-27/26 H01J 37/05 H01J 37/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 異極が対向する磁石の対とこれらと直角
の方向に対向する電極の対とを有し磁石対と電極対の中
心をイオンビ−ムが通るようにした分析単位を複数個直
線状に配列した分析列を複数個設け、2次元的な広がり
のあるイオンビ−ムを通し分析列ごとに所望質量のイオ
ンの偏角を変化させ、前方において一定質量のイオンの
みを一直線上に収束させるようにした事を特徴とする質
量分析器。
1. A plurality of analysis units each having a pair of magnets having opposite poles and a pair of electrodes facing each other in a direction perpendicular to the magnets, wherein an ion beam passes through the center of the pair of magnets and the pair of electrodes. A plurality of analysis rows arranged in a straight line are provided, and the declination of ions having a desired mass is changed for each analysis row through an ion beam having a two-dimensional spread so that only ions of a constant mass are aligned in a straight line in front. A mass spectrometer characterized by focusing.
【請求項2】 異極が対向する磁石の対とこれらと直角
の方向に対向する電極の対とを有し磁石対と電極対の中
心をイオンビ−ムが通るようにした分析単位を複数個電
極板と平行な直線状に配列した分析列を磁場電場の方向
が反対になりしかも列方向に半ピッチずらして複数個設
け、2次元的な広がりのあるイオンビ−ムを通し分析列
ごとに所望質量のイオンの偏角を変化させ、前方におい
て一定質量のイオンのみを一直線上に収束させるように
した事を特徴とする質量分析器。
2. A plurality of analysis units each having a pair of magnets having opposite poles and a pair of electrodes facing each other at right angles to each other so that an ion beam passes through the center of the magnet pair and the electrode pair. A plurality of analysis rows arranged in a straight line parallel to the electrode plate are provided in such a manner that the directions of the magnetic field and the electric field are opposite to each other and are shifted by a half pitch in the row direction. A mass spectrometer characterized in that the declination of mass ions is changed so that only ions of a constant mass are focused on a straight line in front.
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