JP4151690B2

JP4151690B2 - 偏向電磁石およびイオンビーム照射装置

Info

Publication number: JP4151690B2
Application number: JP2005267426A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤田
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: JP2007080691A

Description

この発明は、例えば、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イオンビーム照射装置等に用いられて、イオンビームを磁場によって曲げる偏向電磁石、および、それを備えるイオンビーム照射装置に関する。イオン注入を行う場合は、このイオンビーム照射装置はイオン注入装置とも呼ばれる。

イオンビーム照射装置の一例を図１に示す。このイオンビーム照射装置は、イオン源２から引き出したイオンビーム４をターゲット１６に照射する構成をしている。ターゲット１６は、例えば半導体基板である。

より具体的には、このイオンビーム照射装置は、特許文献１にも記載されているように、イオンビーム４を引き出すイオン源２と、それから引き出されたイオンビーム４から特定のイオン種を選別して導出する質量分離マグネット６と、それから導出されたイオンビーム４を加速または減速する加減速管８と、それから導出されたイオンビーム４から特定エネルギーのイオンを選別して導出するエネルギー分離マグネット１０と、それから導出されたイオンビーム４を磁界によってＹ方向（例えば水平方向）に走査する走査マグネット１２と、それから導出されたイオンビーム４を曲げ戻して走査マグネット１２と協働してイオンビーム４の平行走査を行う、即ち平行なイオンビーム４を作る平行化マグネット１４とを備えている。

平行化マグネット１４から導出されたイオンビーム４は、処理室２０内のホルダ１８に保持されたターゲット１６に照射され、それによってターゲット１６に対してイオン注入等の処理が施される。その際、ターゲット１６は、この例では図示しない走査機構によって、前記Ｙ方向と実質的に直交するＺ方向（例えば垂直方向）に往復駆動される。このターゲット１６の往復駆動とイオンビーム４の走査との協働によって、ターゲット１６の全面に均一性良くイオン注入等の処理を施すことができる。なお、イオンビーム４の経路は全て真空雰囲気に保たれる。

上記のようなイオンビーム照射装置においては、装置のスループットを高めると共に、ターゲット１６上に形成する半導体デバイスの微細化に伴ってイオン注入深さを浅くする必要があるので、低エネルギーかつ大電流のイオンビーム４を効率良く輸送することが望まれている。しかし、イオンビーム４が低エネルギーかつ大電流になるほど、イオンビーム４の空間電荷による発散が大きくなるため、イオンビーム４を効率良く輸送することが困難になる。

イオンビーム４の輸送経路には、上記質量分離マグネット６、エネルギー分離マグネット１０、走査マグネット１２、平行化マグネット１４等の多くのマグネットが存在する。これらはいずれも、イオンビーム４を偏向する（曲げる）ものであるため、偏向電磁石と総称することができる。このような偏向電磁石の磁極間空間を通過する距離が、イオンビーム４の輸送距離全体の大部分を占めている。このため、偏向電磁石の磁極間空間におけるイオンビームの空間電荷を中和して発散を抑制することが、イオンビーム４の輸送効率を高めるために、特に低エネルギーかつ大電流のイオンビーム４の輸送効率を高めるために重要である。

そのためには、例えば、磁極の外部から磁極間空間に電子を供給して、磁極間空間を通過するイオンビームの空間電荷を中和する方法が考えられる。しかし、磁極間空間の強い磁場のために電子のラーモア半径が非常に小さくなるために、電子を外部から磁極間空間に供給することは容易ではない。

他の方法として、磁極表面に電子源を設置してそれから電子を磁極間空間に供給して、磁極間空間を通過するイオンビームの空間電荷を中和する技術がある（例えば、特許文献２参照）。

また、イオンビームは、その周辺の一部が真空壁等に衝突して２次電子を発生させたり、真空中の微量の残留ガスに衝突してそれを電離して電子を発生させたりするため、元々はイオンビームおよびその近傍に電子が存在する。そこで他の方法として、このイオンビームを原因として発生した電子の閉じ込めを、イオンビームラインに形成したカスプ磁場によって改善して、イオンビームの空間電荷を中和する技術がある（例えば、特許文献３、４参照）。

特開２００１−１４３６５１号公報（段落０００４−０００５、図４）米国特許第６，７６２，４２３号明細書（図２）特開２００２−３５２７６５号公報（段落００１２−００１９、図５）米国特許第６，７５９，６６５号明細書（図６）

上記電子源を設置する技術では、構造が複雑になると共に、磁極間空間は通常は非常に狭いために、電子源を設置するのは非常に難しい。しかも、電子源を設置すると、そのぶんイオンビームの通過可能面積が減少するので、電子源にイオンビームが衝突しやすくなり、それによってイオンビームの輸送効率を低下させる。

また、イオンビーム付近の電子は、イオンビーム自身が作る電場Ｅと偏向電磁石が作る磁場ＢとによるＥ×Ｂ（イー・クロス・ビー）ドリフトのためにすぐに磁極間空間の外部に流出して消失してしまうので、Ｅ×Ｂドリフトを抑制しない限り、たとえ電子源から電子を磁極間空間に供給したり、イオンビームライン中の電子の閉じ込めをカスプ磁場によって改善しようとしても、イオンビームの空間電荷を中和する効果はあまり期待できない。

それを以下に詳述する。まずＥ×Ｂドリフトについて説明する。

磁場Ｂがある場合、図２に示すように、電子３８は磁場Ｂに巻き付くようにサイクロトロン運動をする。４８はその旋回中心である。

更に上記磁場Ｂと直交する方向に電場Ｅが加わると、図３に示すように、Ｅ×Ｂの外積の方向に電子３８の旋回中心の軌道４０がずれていく現象が起こる。これがＥ×Ｂドリフトである。このＥ×Ｂドリフトは、電場Ｅ中の電子３８の位置によって電子３８の運動エネルギーが変わり、それによってラーモア半径が変化することによって、サイクロトロン運動がずれていくことによるものである。

また、図４に示すように、磁場Ｂが上下方向に向かっている場合、電子３８は磁力線に平行な速度成分を持っているので、磁力線に沿って上下に移動する。更に、イオンビーム４が作る電場Ｅ（図５、図６参照）が存在すると、それが復元力となって、電子３８は磁力線に沿って上下に往復運動をすることになる。そのために、磁場Ｂと電場Ｅとが存在すると、水平方向にはＥ×Ｂドリフトが起こり、かつ電子３８は磁力線に沿って上下に移動するため、電子３８は上下方向に往復運動しながら、水平方向にはＥ×Ｂドリフトするような複雑な軌道４０をとることになる。５０は軌道４０の中心軌道である。

イオンビーム４は正の電位（ビームポテンシャル）を持っており、図５に示すように、イオンビーム４をビーム電流密度が均一な円柱として考えると、イオンビーム４が作る電場Ｅは、イオンビーム４の半径方向に放射状に生じる。

イオンビーム４の電位Ｖ_Bは、図６に示すように、イオンビーム４の中央に最大値を持ち、イオンビーム４の両端ａ、ｂ付近で電場Ｅの絶対値の最大値ができる。その辺りで、電位Ｖ_Bの傾き、即ち｜Ｅ｜＝｜ｄＶ_B／ｄＹ｜が最大になるからである。電場Ｅの方向は、Ｙ軸を境にして上下で反転している。

この電場Ｅに磁場Ｂが加わると、図７に示すように、電場Ｅが零となるイオンビーム４の中央ではＥ×Ｂドリフトが零になり、イオンビーム４の両端ａ、ｂ付近では電場Ｅが最大になるためにＥ×Ｂドリフトが最大になる。イオンビーム４の中心からの距離が両端ａ、ｂから大きく離れると、電場Ｅは殆ど零になるために、Ｅ×Ｂはほぼ零になり、Ｅ×Ｂドリフトは殆ど起こらなくなる。Ｅ×Ｂドリフトの方向は、Ｙ軸を境にして上下で反転している。

図８は、従来の偏向電磁石における電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す側面図である。図９は、図８の線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。

この偏向電磁石３０は、イオンビーム４が通過する磁極間空間３４をあけて相対向する第１の磁極３２ａおよび第２の磁極３２ｂを有していて、両磁極３２ａ、３２ｂによって磁極間空間３４に発生させる磁場Ｂによって、磁極間空間３４を通過するイオンビーム４を曲げる（この例では紙面の表裏方向に曲げる）構成をしている。この磁場Ｂを形成する磁力線３６の一例を図示している。イオンビーム４は、例えば、矢印４２で示す方向に通過するが、その逆方向でも良い。

この磁極間空間３４における電子３８のＥ×Ｂドリフトは、図２〜図７を参照して前述したとおりであり、当該Ｅ×Ｂドリフトの方向は、図９において、イオンビーム４に対して右側では紙面の表から裏方向に向き、左側ではその逆に紙面の裏から表方向に向き、それによって、電子３８が磁極間空間３４外へイオンビーム４に沿う方向に流出して損失する。その様子を図１０に示す。イオンビーム４の左右で電子３８のドリフト方向が反転しており、損失方向４４、４６が反転しているが、いずれにしてもＥ×Ｂドリフトによって、磁極間空間３４外へ電子３８が流失して損失する。なお、図１０では、電子３８のドリフトの様子を図示しやすくするために、上側にある磁極３２ａは想像線で示している。

上記電子３８は、例えば、磁極間空間３４を形成する壁面等にイオンビーム４の周辺の一部が衝突することによって発生する２次電子や、磁極間空間３４における残留ガスがイオンビーム４の衝突によって電離されて発生する電子である。

また、特許第３３９９１１７号公報には、偏向電磁石（より具体的には質量分析電磁石）の外側に、イオンビームの軸に沿う方向の磁界を発生させて電子の閉じ込め（イオンビーム半径方向における閉じ込め）を磁気的に行う磁界発生手段と、その両端付近に配置されていて電子の閉じ込め（イオンビーム軸方向における閉じ込め）を静電的に行う第１および第２の筒状の電子閉じ込め電極を配置して、閉じ込めた電子によってイオンビームの空間電荷を抑制する技術が記載されているけれども、この技術は偏向電磁石内に適用することはできない。

なぜなら、偏向電磁石内では強力な磁場がイオンビームの進行方向にほぼ垂直に加わるので、上記のようにイオンビームの軸に沿う方向の磁界を発生させることができないからである。偏向電磁石内でイオンビームの空間電荷を中和することが重要であることは前述のとおりである。また、上記筒状の電子閉じ込め電極は単に負電圧によって電子を押し戻す作用しか奏しないので、その空間部から、Ｅ×Ｂドリフトによる電子の磁極間空間外への流出を抑制することもできない。

そこでこの発明は、磁極間空間からのＥ×Ｂドリフトによる電子の損失を軽減して磁極間空間における電子の閉じ込めを良くして、閉じ込めた電子によってイオンビームの空間電荷を効率良く中和して、イオンビームの発散を抑制することを主たる目的としている。

この発明に係る偏向電磁石の一つは、イオンビームが通過する磁極間空間をあけて相対向する第１および第２の磁極を有していて、当該磁極間空間を通過するイオンビームを曲げる偏向電磁石であって、前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも入口寄りおよび出口寄りで磁場が相対的に強いミラー磁場を形成する永久磁石群を備えていることを特徴としている。

この偏向電磁石によれば、磁極が形成する磁場と永久磁石群が形成するミラー磁場との合成磁場によって、磁極に実質的に垂直な磁場成分が作るＥ×Ｂドリフト、磁極に実質的に平行な磁場成分が作るＥ×Ｂドリフト、および、永久磁石群が形成する磁場の大きさの不均一によって作られるグラディエントＢドリフトが生じるようになり、これらのドリフトの合成によって、イオンビーム内やその近傍で電子の軌道に閉じたものが存在するようになる。即ち、イオンビーム内やその近傍に、軌道が捕捉された状態の電子を存在させることができる。これによって、磁極間空間からのＥ×Ｂドリフトによる電子の損失を軽減して、磁極間空間における電子の閉じ込めを良くすることができる。

上記電子は、例えば、磁極間空間を形成する壁面等にイオンビームの周辺の一部が衝突することによって発生する２次電子や、磁極間空間における残留ガスがイオンビームの衝突によって電離されて発生する電子である。

前記永久磁石群は、そのより具体例を示すと、前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも入口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第１の対の永久磁石と、前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも出口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第２の対の永久磁石とを備えている。

前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向と交差する方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも両端寄りで磁場が相対的に強い第２のミラー磁場を形成する第２の永久磁石群を更に備えていても良い。

前記第２の永久磁石群は、そのより具体例を示すと、前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向と交差する方向における中央よりも両端寄りの所に、イオンビームの経路に沿ってそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場をそれぞれ作る第３および第４の対の永久磁石を備えている。

この発明に係るイオンビーム照射装置は、イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成の装置であって、前記イオン源からターゲットまでのイオンビームの経路に、前記偏向電磁石を１以上備えていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば次のような効果を奏する。

（１）磁極間空間にミラー磁場を形成する永久磁石群を設けたことによって、イオンビーム内やその近傍に、軌道が捕捉された状態の電子を存在させることができる。これによって、磁極間空間からのＥ×Ｂドリフトによる電子の損失を軽減して、磁極間空間における電子の閉じ込めを良くすることができる。その結果、閉じ込めた電子によってイオンビームの空間電荷を効率良く中和して、イオンビームの発散を抑制することができ、ひいてはイオンビームの輸送効率を向上させることができる。

（２）電子をイオンビーム軌道の近傍内に閉じ込めることができるので、イオンビームが残留ガスと衝突することによってイオンビーム付近から発生する電子の閉じ込めを効率良く行うことができ、これによってイオンビームの空間電荷を中和する効果がより大きくなる。

（３）イオンビームラインに沿ってカスプ磁場を形成する場合に比べて、前記のようなミラー磁場を形成する方が永久磁石の数を遙かに少なくすることができるので、偏向電磁石の構造の簡素化が可能である。

（４）イオンビームを原因にして発生した電子を閉じ込めてイオンビームの空間電荷を中和するため、磁極表面や外部から磁極間空間に電子を供給する電子源を設置する必要がない。しかも、イオンビーム電流が多いと、イオンビームを原因にして発生する電子も多くなり、自然に空間電荷中和が調整されるため、大がかりな制御を必要としない。

（５）イオンビームが走査される場合でも、電子は軽くてイオンビームの電場に引きずられて移動し、かつ電子のドリフト速度は速いので、偏向電磁石が走査マグネットのようにイオンビームを走査するものである場合にも、上記効果を奏することができる。

請求項２、３、４に記載の発明によれば、第２の永久磁石群が形成する第２のミラー磁場によって、電子の閉じ込め領域を拡大して電子の閉じ込め性能をより高めることができる。その結果、イオンビームの空間電荷をより効率良く中和して、イオンビームの発散をより抑制することができ、ひいてはイオンビームの輸送効率をより向上させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記のような偏向電磁石を１以上備えていて、当該各偏向電磁石において前記効果を奏するので、イオン源から引き出したイオンビームのターゲットへの輸送効率を向上させることができる。

図１１は、この発明に係る偏向電磁石の第１の実施形態を示す概略斜視図である。図１２は、図１の偏向電磁石をイオンビーム通過方向の横から見て示す概略側面図であり、磁力線の図示は省略している。図８〜図１０に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。

この偏向電磁石３０ａは、前記第１の磁極３２ａと第２の磁極３２ｂ間の磁極間空間３４に、当該磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央付近よりも入口寄りおよび出口寄りで磁場が相対的に強いミラー磁場を形成する永久磁石群５４を備えている。

永久磁石群５４は、この実施形態では、第１の対の永久磁石５４ａと、第２の対の永久磁石５４ｂとを備えている。

第１の対の永久磁石５４ａは、この実施形態では、前記磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂであって、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における中央よりも入口寄りの所に、より具体的には磁極間空間３４の入口付近に、イオンビーム４の経路に交差させてそれぞれ配置されていて、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場を強める方向の磁場を作るものである。即ち、上下の永久磁石５４ａのイオンビーム４に向かう面の極性は、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂの極性とそれぞれ同じにしている。また、各永久磁石５４ａは、イオンビーム４の通過方向と交差する方向に伸びる棒状をしている。

第２の対の永久磁石５４ｂは、この実施形態では、前記磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂであって、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における中央よりも出口寄りの所に、より具体的には磁極間空間３４の出口付近に、イオンビーム４の経路に交差させてそれぞれ配置されていて、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場を強める方向の磁場を作るものである。即ち、上下の永久磁石５４ｂのイオンビーム４に向かう面の極性は、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂの極性とそれぞれ同じにしている。また、各永久磁石５４ｂは、イオンビーム４の通過方向と交差する方向に伸びる棒状をしている。

上記磁極３２ａ、３２ｂ、永久磁石５４ａ、５４ｂの極性の例を図１１、図１２等に図示しているが、これらの極性を図示とは全て反対にしても良い。図２１に示す実施形態においても同様である。また、図２１に示す永久磁石６４ａ、６４ｂについても同様である。

上記永久磁石５４ａ、５４ｂは、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂに配置する代わりに、当該表面３３ａ、３３ｂの近傍に配置しても良い。図２１に示す実施形態においても同様である。また、図２１に示す永久磁石６４ａ、６４ｂについても同様である。

なお、図１１以降の図示の仕方について説明すると次のとおりである。即ち、永久磁石５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂを図示しやすくするために、上側にある磁極３２ａを想像線で示している場合がある。イオンビーム４は便宜上、円柱状で図示しているが、これに限られるものではない。イオンビーム４は、本来、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場によって曲げられるが、図示を簡略化するために、当該磁場による曲がりは無視して直線で示している。

また、永久磁石５４ａ、５４ｂが形成するミラー磁場を表す磁力線５６ａ、５６ｂは、便宜上、磁極間空間３４の内側に湾曲したものを何本かずつ図示しているが、実際は多数本存在し、かつ外側に湾曲した磁力線も存在する。説明の都合上、偏向電磁石３０ａの磁極間空間３４における、互いに直交する座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚを図１１等に示すように取る。即ち、磁極間空間３４の中心の座標を原点Ｏとし、イオンビーム４の通過方向４２に向かう方向をＸ軸、それと横に直交する方向をＹ軸、縦に直交する方向（即ち磁極３２ａ、３２ｂ間の上下方向）をＺ軸とする。

さて、図８〜図１０に示した従来の偏向電磁石３０においては、Ｅ×Ｂドリフトを生じさせる磁場は磁極３２ａ、３２ｂによるものだけであったが、図１１、図１２に示す偏向電磁石３０ａにおいては、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場に、永久磁石５４ａ、５４ｂが作る磁場が重畳されて、合成磁場Ｂが形成される。しかし、その合成磁場ＢのＺ方向成分Ｂ_Zについての前記電子３８（図示されていない場合は、例えば図８〜図１０、図２４〜図２７参照。以下同様）のＥ×Ｂドリフト（即ちＥ×Ｂ_Zドリフト）は、従来の偏向電磁石３０におけるものと同じ現象になる。電子３８は、前述したように、例えば、磁極間空間３４を形成する壁面等にイオンビーム４の周辺の一部が衝突することによって発生する２次電子や、磁極間空間３４における残留ガスがイオンビーム４の衝突によって電離されて発生する電子である。

図１３に、上記Ｅ×Ｂ_Zドリフトの大きさ｜Ｅ×Ｂ_Z｜を、斜線を付した平行四辺形の面積で示している。図１４に、このＥ×Ｂ_Zドリフトの方向および大きさの分布を示している。このドリフトの大きさの分布は、イオンビーム４の半径方向で電場Ｅの最大値付近（即ちイオンビーム４の端部付近。図６参照）に最大値を持っている。イオンビーム４の中心を通るＸＺ平面内では、Ｅ×Ｂが零になるためにドリフトは起こらない。

また、図１３に示すように、Ｅ×Ｂ_Zドリフトの大きさは、Ｙ軸からの偏角θを考えると、ｃｏｓθに従って変化し、かつイオンビーム４の半径方向には電場Ｅの大きさに応じて変化する。

電子３８は、図１４の第１象限Ｑ₁、第４象限Ｑ₄ではＸの正方向にドリフトし、第２象限Ｑ₂、第３象限Ｑ₃ではＸの負方向にドリフトする。これは、上述したように、磁極３２ａ、３２ｂに実質的に垂直な磁場成分Ｂ_ZによるＥ×Ｂ_Zドリフトである。

一方、永久磁石５４ａ、５４ｂ付近では、永久磁石５４ａ、５４ｂがミラー磁場を形成することで、磁極３２ａ、３２ｂに実質的に平行な磁場成分Ｂ_Xが作るＥ×Ｂドリフト（即ちＥ×Ｂ_Xドリフト）も生じる。これを以下に説明する。

図１５は、出口側の永久磁石５４ｂ付近のイオンビーム４を横から見た図であり、対を成す永久磁石５４ｂが作る磁力線５６ｂの幾つかが示されている。永久磁石５４ｂがミラー磁場を形成しているので、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場と、対を成す永久磁石５４ｂが作る磁場との合成磁場Ｂもミラー磁場になっている。このミラー磁場Ｂは磁極間空間３４内側に湾曲しているために、磁極３２ａ、３２ｂに実質的に垂直な磁場成分Ｂ_Zと、実質的に平行な磁場成分Ｂ_Xとを持っている。この磁場成分Ｂ_Xによって、Ｚ軸上で（即ちＹ＝０で）、−Ｙ方向のドリフト成分が生じる。

電場Ｅは前述したようにイオンビーム４から放射状に出ているために、結局、図１６に示すように、電子３８のＥ×Ｂ_Xドリフトは、ＹＺ平面ではＹ軸の上側で−θ方向に、下側では＋θ方向に起きることになる。Ｙ軸上ではこのドリフトは起こらない。入口側の永久磁石５４ａ付近においても同様にＥ×Ｂ_Xドリフトが生じるが、ミラー磁場の湾曲方向が反対であるために、当該ドリフトの向きは出口側とは反対になる（図１９参照）。

更に、永久磁石５４ａ、５４ｂ近くではＹ軸付近よりも上記合成の磁場Ｂが強いために、磁場Ｂの大きさに不均一性が生じ、電子３８のラーモア半径が場所によって変化し、やはりサイクロトロン運動がずれていき電子３８がドリフトする現象が起きる。これはグラディエント（勾配）Ｂドリフトと呼ばれる。これは当然、永久磁石５４ａ、５４ｂに近い所でより強くなる。

図１７に、上記磁場Ｂの勾配∇Ｂの、磁力線５６ｂに垂直な成分を∇Ｂ⊥で示している。なお、この図１７では、磁力線５６ｂは磁極間空間３４の内側方向（換言すれば−Ｘ方向）に湾曲しているもののみを図示しているが、磁極間空間３４の外側方向（換言すれば＋Ｘ方向）に湾曲しているものも存在する。磁場密度勾配∇Ｂは磁力線５６ｂに垂直な成分∇Ｂ⊥と平行な成分∇Ｂ‖とに分けられるが、∇Ｂ‖×Ｂ＝０であるので、垂直成分∇Ｂ⊥のみを考慮すれば良い。従って、それによる∇Ｂ⊥×Ｂドリフトを、以下ではグラディエントＢドリフトと呼ぶことにする。磁力線５６ｂはミラー磁場のために磁極間空間３４の内側方向に湾曲しているので、グラディエントＢドリフトは＋Ｙ方向になる。このドリフトは当然、電場の影響を受けない。

このグラディエントＢドリフト（∇Ｂ⊥×Ｂドリフト）の大きさと向きは、図１８に示すように、Ｙ軸上で最小値を持ち、上下の永久磁石５４ｂ付近で最大となる。Ｙ軸方向、即ち棒状の永久磁石５４ｂの長手方向ではミラー磁場形状に変化はないので、同図（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、Ｙ座標位置（例えば＋Ｙ₁、０、−Ｙ₁）による上記ドリフトの変化はない。入口側の永久磁石５４ａ付近においても同様にグラディエントＢドリフトが生じるが、ミラー磁場の湾曲方向が反対であるために、当該ドリフトの向きは出口側とは反対になる（図１９参照）。

以上に述べた電子３８の各ドリフトを、上記磁極間空間３４の、イオンビーム４通過方向の両端（入口端、出口端）付近および中央付近についてまとめたのが図１９である。中央付近では、永久磁石５４ａ、５４ｂの影響は無視することができ、Ｘ方向のドリフトだけであるが、出口端付近ではＸ方向、θ方向（特にＸＺ平面上では−Ｙ方向）、Ｙ方向のドリフトが重なっている。それぞれは、前述したＥ×Ｂ_Zドリフト、Ｅ×Ｂ_Xドリフト、グラディエントＢドリフト（∇Ｂ⊥×Ｂドリフト）である。入口端付近でも同様のドリフトが重なっているが、Ｅ×Ｂ_Xドリフトのθ方向の成分と、グラディエントＢドリフト（∇Ｂ⊥×Ｂドリフト）のＹ方向の成分の向きは、入口端付近と出口端付近とでは逆向きである。Ｅ×Ｂ_ZドリフトのＸ方向成分は、Ｙの正負でそれぞれ負正のＸ成分を持っている。

図２０に、上記各ドリフトの平均を矢印で示している。その上に、幾つかの典型的な場合の電子３８のドリフトの平均的軌道の概要を示した。軌道ｃは、イオンビーム４から離れているので、電場Ｅが無視でき、円運動をしながら上下に動いている場合である。軌道ｄは、イオンビーム４の左右端の外側付近でＸ方向のＥ×Ｂ_Zドリフトが大きく、またＹ方向のグラディエントＢドリフトで軌道が内側に近付いても、Ｙ方向で逆向きのＥ×Ｂ_Xドリフトで再び外側に押し出される場合である。この軌道ｄの電子３８は、磁極間空間３４からＸ方向に流出して損失となる。軌道ｅは、イオンビーム４の左右端よりも少し内側にあるため、Ｘ方向のＥ×Ｂ_Zドリフトが減少し、かつＹ方向のＥ×Ｂ_Xドリフトも減少したために、Ｙ方向のグラディエントＢドリフトが勝り、電子３８はイオンビーム４の内側に入り込みその軌道が捕捉されて閉じ込められた場合である。軌道ｆのように更に内側では、電場Ｅが零に近いために、Ｘ方向のＥ×Ｂ_Zドリフトが小さく、かつＹ方向のＥ×Ｂ_Xドリフトも小さいので、イオンビーム４の軸近傍で細く閉じた軌道を持つ。

このように、上記各ドリフトの合成によって、イオンビーム４内やその近傍で電子３８の軌道に閉じたものが存在するようになる。即ち、イオンビーム４内やその近傍に、軌道が捕捉された状態の電子３８を存在させることができる。これによって、磁極間空間３４からＥ×Ｂドリフトによる電子３８の損失を軽減して、磁極間空間３４における電子３８の閉じ込めを良くすることができる。

その結果、閉じ込めた電子３８によってイオンビーム４の空間電荷を効率良く中和して、イオンビーム４の発散を抑制することができ、ひいてはイオンビーム４の輸送効率を向上させることができる。

また、電子３８をイオンビーム軌道の近傍内に閉じ込めることができるので、イオンビーム４が残留ガスと衝突することによってイオンビーム付近から発生する電子の閉じ込めを効率良く行うことができ、これによってイオンビーム４の空間電荷を中和する効果がより大きくなる。

また、従来例のようにイオンビームラインに沿ってカスプ磁場を形成する場合に比べて、上記のようなミラー磁場を形成する方が永久磁石の数を遙かに少なくすることができるので、例えばこの実施形態では２対（即ち四つの）永久磁石５４ａ、５４ｂで済むので、偏向電磁石３０ａの構造の簡素化が可能である。

また、イオンビーム４を原因にして発生した電子、即ち磁極間空間３４を形成する壁面等にイオンビーム４の周辺の一部が衝突することによって発生した２次電子や、磁極間空間３４における残留ガスがイオンビーム４の衝突によって電離されて発生した電子を閉じ込めてイオンビーム４の空間電荷を中和するため、磁極表面や外部から磁極間空間３４に電子を供給する電子源を設置する必要がない。しかも、イオンビーム電流が多いと、イオンビーム４を原因にして発生する電子も多くなり、自然に空間電荷中和が調整されるため、大がかりな制御を必要としない。

更に、イオンビーム４が走査される場合でも、電子は軽くてイオンビーム４の電場に引きずられて移動し、かつ電子のドリフト速度は速いので、偏向電磁石３０ａが走査マグネットのようにイオンビーム４を走査するものである場合にも、上記効果を奏することができる。

図２１は、この発明に係る偏向電磁石の第２の実施形態を示す概略斜視図である。以下においては、図１１および図１２に示した第１の実施形態との相違点を主体に説明する。

この偏向電磁石３０ｂは、前記永久磁石群５４に加えて、前記磁極間空間３４に、当該磁極間空間３４のイオンビーム通過方向と交差する方向（即ちＹ方向）における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央付近よりも両端寄りで磁場が相対的に強い第２のミラー磁場を形成する第２の永久磁石群６４を更に備えている。

永久磁石群６４は、この実施形態では、第３の対の永久磁石６４ａと、第４の対の永久磁石６４ｂとを備えている。

第３および第４の対の永久磁石６４ａ、６４ｂは、この実施形態では、前記磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂであって、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向と交差する方向（即ちＹ方向）における中央よりも両端寄りの所に、より具体的には両端付近に、イオンビーム４の経路に沿ってそれぞれ配置されていて、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場を強める方向の磁場をそれぞれ作るものである。即ち上下の永久磁石６４ａ、６４ｂのイオンビーム４に向かう面の極性は、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂの極性とそれぞれ同じにしている。また、各永久磁石６４ａ、６４ｂは、イオンビーム４の通過方向に沿う方向（即ちＸ方向）に伸びる棒状をしている。各永久磁石６４ａ、６４ｂは、この実施形態では、各々の両端が上記永久磁石５４ａ、５４ｂに当接するまで伸びているが、必ずしも当接している必要はない。

上記永久磁石６４ａ、６４ｂが形成するミラー磁場を表す磁力線６６ａ、６６ｂは、図２１では便宜上、磁極間空間３４の内側に湾曲したものを１本ずつ例示しているが、実際は多数本存在し、かつ図２３に示すように外側に湾曲したものも存在する。

図２３に、この第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂをＹＺ平面で切断した場合におけるＥ×Ｂドリフトの大きさ｜Ｅ×Ｂ｜の例を、斜線を付した平行四辺形の面積で示している。また、対を成す永久磁石６４ａ、６４ｂが作る磁力線６６ａ、６６ｂの例も図示している。永久磁石６４ａ、６４ｂがミラー磁場を形成しているので、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場と、対を成す永久磁石６４ａ、６４ｂが作る磁場との合成磁場Ｂもミラー磁場となっている。

比較のために、前記第１の実施形態の偏向電磁石３０ａのＹＺ平面におけるＥ×Ｂドリフトの大きさの例を図２２に示す。磁極３２ａ、３２ｂが作る磁力線６８の例も図示している。この偏向電磁石３０ａの場合は、上記永久磁石群（具体的には永久磁石５４ａ、５４ｂ）はＹＺ平面内でミラー磁場を形成するものではないので、磁力線６８はほぼ直線である。

図２２と図２３とを比べれば分かるように、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂでは、磁場Ｂが湾曲しているために、Ｙ軸から上または下に外れる位置では、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａよりも、｜Ｅ×Ｂ｜が小さくなりＥ×Ｂドリフトが小さくなる。

更に、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂでは、第２の永久磁石群６４（具体的には永久磁石６４ａ、６４ｂ）によっても、永久磁石群５４について上述したような（図１７〜図２０およびその説明参照）グラディエントＢドリフトが生じ、これによって更にグラディエントＢドリフトを強化することができる。より具体的には、第２の永久磁石群６４によるグラディエントＢドリフトは、図２０中に矢印Ｇ、Ｈで示す方向に生じ、このドリフトと、前記永久磁石群５４によるグラディエントＢドリフト（∇Ｂ⊥×Ｂドリフト）とが互いにつながるので、電子３８が閉じた軌道を周回するようになり、電子が閉じ込められやすくなる。

このように、この偏向電磁石３０ｂによれば、第２の永久磁石群６４（具体的には永久磁石６４ａ、６４ｂ）が形成する第２のミラー磁場によって、磁極３２ａ、３２ｂ間の中心よりも磁極寄りの位置でのＥ×Ｂドリフトがより小さくなり、かつ、第２の永久磁石群６４が形成する磁場の大きさの不均一によって作られるグラディエントＢドリフトが生じてグラディエントＢドリフトを強化することができるため、電子３８の閉じ込め領域を拡大して電子の閉じ込め性能をより高めることができる。その結果、イオンビーム４の空間電荷をより効率良く中和して、イオンビーム４の発散をより抑制することができ、ひいてはイオンビーム４の輸送効率をより向上させることができる。

なお、従来の偏向電磁石３０、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａ、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂにおける電子の閉じ込め領域および非閉じ込め領域については、その概要を図２８〜図３０にそれぞれまとめている。これについては後述する。

次に、従来の偏向電磁石３０、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａ、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂにおける電子軌道のシミュレーション結果の例を図２４〜図２７にそれぞれ示す。なお、図２４〜図２７では、磁極３２ａ、３２ｂは、その表面３３ａ、３３ｂのみを図示している。

このシミュレーションでは、磁極３２ａ、３２ｂの寸法は、Ｘ方向に全長０．３ｍ、Ｙ方向に全長０．１６ｍ、磁極３２ａ、３２ｂ間の間隔は０．０６５ｍとした。図２５、図２６に示す偏向電磁石３０ａでは、残留磁束密度が１Ｔ（テスラ）、幅（Ｘ方向の寸法）が５ｍｍ、厚み（Ｚ方向の寸法）が３ｍｍの永久磁石５４ａ、５４ｂを磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂにそれぞれ取り付けている。この永久磁石５４ａ、５４ｂ間のＸ方向の距離は０．１５ｍとした。図２７に示す偏向電磁石３０ｂでは、永久磁石５４ａ、５４ｂと同じ残留磁束密度、幅（Ｙ方向の寸法）および厚みの永久磁石６４ａ、６４ｂを、同表面３３ａ、３３ｂにそれぞれ取り付けている。

磁極３２ａ、３２ｂが磁極間空間３４のＸ、Ｙ方向の中央に作る磁場の大きさは、約１０ｍＴである。永久磁石５４ａ、５４ｂを設けた場合は、合成磁場の大きさは、ミラー磁場の中央で約１５ｍＴである。永久磁石６４ａ、６４ｂを更に設けた場合は、合成磁場の大きさは、ミラー磁場の中央で約１８ｍＴである。イオンビーム４は、円柱状の均一電流のものとし、その半径は０．０２ｍ、電流は１ｍＡ、エネルギーは５ｋｅＶ、イオン種は１価のホウ素とした。このイオンビーム４の等電位線７０を各図中に併せて示している。電子３８は、図中の矢印Ｐで示す位置、即ち磁極間空間３４の中央の原点Ｏ（図１１参照）付近から発射した。この電子３８のエネルギーは１０ｅＶとした。

図２４に示すように、従来の偏向電磁石３０においては、磁極間空間３４のＸ方向の端部付近で、電子３８の軌道がイオンビーム４から大きく外れており、電子３８を閉じ込めることができない。

図２５に示すように、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａにおいては、永久磁石５４ａ、５４ｂ間に電子３８をうまく閉じ込めることができる。

第１の実施形態の偏向電磁石３０ａにおいても、図２６に示すように、電子３８の発射位置によっては閉じ込めができない場合もある。その場合でも、第２の偏向電磁石３０ｂにおいては、図２７に示すように、電子３８をうまく閉じ込めることができる。

電子３８の閉じ込め範囲を調べるために、磁極間空間３４の原点Ｏ付近から電子３８を発射し、発射位置に対する電子３８の、ＹＺ平面における閉じ込め領域Ａ_C（ハッチングを付した領域）と非閉じ込め領域Ａ_N（ハッチングを付していない領域）との概要を図２８〜図３０に示す。図２８は従来の偏向電磁石３０、図２９は第１の実施形態の偏向電磁石３０ａ、図３０は第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂにおけるものである。

図２８に示すように、従来の偏向電磁石３０においては、閉じ込め領域は存在せず、図示の全域が非閉じ込め領域Ａ_Nである。

図２９に示すように、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａにおいては、Ｚ軸付近に閉じ込め領域Ａ_Cが形成されている。従って、電子３８の閉じ込め性能が向上する。

図３０に示すように、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂにおいては、閉じ込め領域Ａ_Cが図２９の場合よりも２倍程度に拡大している。従って、電子３８の閉じ込め性能がより向上する。

上記実施形態の偏向電磁石３０ａ、３０ｂは、イオンビーム照射装置に用いることができる。即ち、イオン源から引き出したイオンビーム４をターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置において、当該イオン源からターゲットまでのイオンビーム４の経路に、上記第１または第２の実施形態の偏向電磁石３０ａまたは３０ｂを１以上備えていても良い。例えば、上記偏向電磁石３０ａまたは３０ｂを、図１に示したイオンビーム照射装置の質量分離マグネット６、エネルギー分離マグネット１０、走査マグネット１２および平行化マグネット１４の内の一つ以上に用いても良い。

そのようにすれば、各偏向電磁石において、前記効果を奏して、イオンビーム４の空間電荷を効率良く中和してイオンビーム４の発散を抑制することができるので、イオン源２から引き出したイオンビーム４のターゲット１６への輸送効率を向上させることができる。

イオンビーム照射装置の一例を示す概略平面図である。電子のサイクロトロン運動の概要を示す図である。電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す図である。磁極間での電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す図である。イオンビームが作る電場の概要を示す図である。図５のイオンビームの電位および電場の分布の概要を示す図である。図５および図６の場合の電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す図である。従来の偏向電磁石における電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す側面図である。図８の線Ｄ−Ｄに沿う断面図である。従来の偏向電磁石における電子のＥ×Ｂドリフトによる損失の概要を示す平面図である。この発明に係る偏向電磁石の第１の実施形態を示す概略斜視図である。図１１の偏向電磁石をイオンビーム通過方向の横から見て示す概略側面図であり、磁力線の図示は省略している。図１１に示した偏向電磁石における電子のＥ×Ｂ_Zドリフトの大きさの概要を示す図である。図１３に示したＥ×Ｂ_Zドリフトの方向および大きさの分布の概要を示す図である。図１１に示した偏向電磁石におけるミラー磁場による電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す図である。図１５に示したＥ×ＢドリフトのＹＺ平面上における分布の概要を示す図である。図１１に示した偏向電磁石におけるミラー磁場による電子のグラディエントＢドリフトの概要を示す図であり、磁力線はＸ方向の片側のみを図示している。図１７に示したグラディエントＢドリフトの、異なるＹ座標位置での分布の概要を示す図である。図１１に示した偏向電磁石における電子の各ドリフトの概要をまとめて示す図である。図１１に示した偏向電磁石における電子の各ドリフトの平均および各ドリフトの平均的軌道の概要を示す平面図である。この発明に係る偏向電磁石の第２の実施形態を示す概略斜視図である。図１１に示した偏向電磁石をＹＺ平面で切断した場合における電子のＥ×Ｂドリフトの大きさの概要を示す断面図である。図２１に示した偏向電磁石をＹＺ平面で切断した場合における電子のＥ×Ｂドリフトの大きさの概要を示す断面図である。従来の偏向電磁石における電子軌道のシミュレーション結果の一例を示す図である。第１の実施形態の偏向電磁石における電子軌道のシミュレーション結果の一例を示す図である。第１の実施形態の偏向電磁石における電子軌道のシミュレーション結果の他の例を示す図である。第２の実施形態の偏向電磁石における電子軌道のシミュレーション結果の一例を示す図である。従来の偏向電磁石における電子の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要を示す図である。第１の実施形態の偏向電磁石における電子の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要を示す図である。第２の実施形態の偏向電磁石における電子の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要を示す図である。

符号の説明

２イオン源
４イオンビーム
１６ターゲット
３０ａ、３０ｂ偏向電磁石
３２ａ第１の磁極
３２ｂ第２の磁極
３４磁極間空間
３８電子
５４永久磁石群
５４ａ、５４ｂ永久磁石
６４第２の永久磁石群
６４ａ、６４ｂ永久磁石

Claims

イオンビームが通過する磁極間空間をあけて相対向する第１および第２の磁極を有していて、当該磁極間空間を通過するイオンビームを曲げる偏向電磁石であって、
前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも入口寄りおよび出口寄りで磁場が相対的に強いミラー磁場を形成する永久磁石群を備えており、
かつ前記永久磁石群は、
前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも入口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第１の対の棒状の永久磁石と、
前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも出口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第２の対の棒状の永久磁石とを備えていることを特徴とする偏向電磁石。
イオンビームが通過する磁極間空間をあけて相対向する第１および第２の磁極を有していて、当該磁極間空間を通過するイオンビームを曲げる偏向電磁石であって、
前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも入口寄りおよび出口寄りで磁場が相対的に強いミラー磁場を形成する永久磁石群を備えており、
かつ前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向と交差する方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも両端寄りで磁場が相対的に強い第２のミラー磁場を形成する第２の永久磁石群を更に備えていることを特徴とする偏向電磁石。
イオンビームが通過する磁極間空間をあけて相対向する第１および第２の磁極を有していて、当該磁極間空間を通過するイオンビームを曲げる偏向電磁石であって、
前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも入口寄りおよび出口寄りで磁場が相対的に強いミラー磁場を形成する永久磁石群を備えており、
前記永久磁石群は、
前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも入口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第１の対の永久磁石と、
前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における中央よりも出口寄りの所に、イオンビームの経路に交差させてそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場を作る第２の対の永久磁石とを備えており、
かつ前記磁極間空間に、当該磁極間空間のイオンビーム通過方向と交差する方向における中央付近で磁場が相対的に弱く、中央よりも両端寄りで磁場が相対的に強い第２のミラー磁場を形成する第２の永久磁石群を更に備えていることを特徴とする偏向電磁石。
前記第２の永久磁石群は、前記第１および第２の磁極の表面またはその近傍であって、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向と交差する方向における中央よりも両端寄りの所に、イオンビームの経路に沿ってそれぞれ配置されていて、前記第１および第２の磁極が作る磁場を強める方向の磁場をそれぞれ作る第３および第４の対の永久磁石を備えている請求項３記載の偏向電磁石。
イオン源から引き出したイオンビームをターゲットに照射する構成のイオンビーム照射装置であって、
前記イオン源からターゲットまでのイオンビームの経路に、請求項１ないし４のいずれかに記載の偏向電磁石を１以上備えていることを特徴とするイオンビーム照射装置。