JP4151695B2 - 偏向電磁石およびイオンビーム照射装置 - Google Patents

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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された一対の電位調整電極と、前記一対の電位調整電極に正の電圧を印加する直流の電位調整電源とを備えていることを特徴としている。

この偏向電磁石においては、電位調整電源から正の電圧が印加される電位調整電極によって、イオンビーム周辺の電位を調整することができ、それによって、イオンビーム周辺の電場と磁極が作る磁場とによる電子のＥ×Ｂドリフトの軌道として、磁極間空間を含む空間において閉じたものを存在させることができる。その結果、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。以下に述べる他の偏向電磁石においても同様である。

前記電位調整電源から前記電位調整電極に印加する電圧は、前記電位調整電極のイオンビーム入口側端においてイオンビームが作る電位およびイオンビーム出口端においてイオンビームが作る電位の内の高い方よりも高い電圧にするのが好ましい。

この発明に係る偏向電磁石の他のものは、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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された第１の対の補正電極と、前記第１の対の補正電極よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第１の対の補正電極に並べて配置された第２の対の補正電極と、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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された第３の対の補正電極と、前記第３の対の補正電極よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第３の対の補正電極に並べて配置された第４の対の補正電極と、前記第２の対の補正電極の電位を前記第１の対の補正電極の電位よりも低く保つ直流の第１の補正電源と、前記第４の対の補正電極の電位を前記第３の対の補正電極の電位よりも低く保つ直流の第２の補正電源とを備えていることを特徴としている。

この偏向電磁石においては、第１の対の補正電極と第２の対の補正電極とが作る電場と、イオンビームが作る電場とを合成した電場と、磁極が作る磁場とによる電子のＥ×Ｂドリフトは、イオンビームに交差する方向になる。第３の対の補正電極と第４の対の補正電極とが作る電場と、イオンビームが作る電場とを合成した電場と、磁極が作る磁場とによる電子のＥ×Ｂドリフトも、第１および第２の対の補正電極側とは逆向きで、イオンビームに交差する方向になる。

一方、イオンビームが作る電場と磁極が作る磁場とによる電子のＥ×Ｂドリフトの方向は、イオンビームに沿う方向になる。

従って、磁極間空間において電子は、上記イオンビームに交差する方向であって入口寄りと出口寄りとで互いに逆向きの２種類のドリフトと、イオンビームに沿う方向のドリフトとが合成された方向にドリフトすることになり、これによって、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、軌道が捕捉された電子を存在させることができる。従って、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。

前記第１の補正電源と第２の補正電源とは互いに同一の電源であっても良い。

前記第１および第２の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における入口端付近に配置し、前記第３および第４の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における出口端付近に配置しておいても良い。

前記第１の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における入口端付近に配置し、前記第２の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における入口端よりも外側に配置し、前記第３の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における出口端付近に配置し、前記第４の対の補正電極を、前記磁極間空間のイオンビーム通過方向における出口端よりも外側に配置しておいても良い。

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、前記第１の対の補正電極と第２の対の補正電極との間に、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、前記第３の対の補正電極と第４の対の補正電極との間に、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更に備えていても良い。

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）前記電位調整電極およびそれ用の前記電位調整電源を備えているので、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）カスプ磁場のような複雑な磁場を形成する必要がないので、偏向電磁石の構造の簡素化が可能である。また、イオンビームの軌道を余分な磁場で乱す恐れもない。

（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に記載の発明によれば、前記補正電極およびそれ用の前記補正電源を備えているので、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。

更に、請求項１に記載の発明の上記（２）〜（５）の効果と同様の効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、電源構成の簡素化を図ることができる、という更なる効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、第１および第２の対の永久磁石が作る磁力線の湾曲を利用して、補正電極の近傍における電子のＥ×Ｂドリフトの減少を抑制して、電子の弱閉じ込め領域を減少させることができる。更に、上記永久磁石が作る磁場の勾配によるグラディエントＢドリフトによって、電子の閉じ込め領域を拡大することができる。従って、電子の閉じ込め性能をより一層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縦断面図である。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、両磁極３２ａ、３２ｂと同方向からイオンビーム４の経路を挟むように配置された一対の電位調整電極５２を備えている。より具体的には、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂの近傍に、磁極３２ａ、３２ｂとは電気的に絶縁して、一対の板状の電位調整電極５２をそれぞれ配置している。

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と、即ち、磁極間空間の中心の座標を原点とし、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軸とすると、一対の電位調整電極５２は、Ｚ方向においてイオンビーム４を、それとの間に空間をあけて挟むように配置されている。

各電位調整電極５２のＸ方向およびＹ方向の長さは、磁極間空間３４をできるだけ広く覆う長さにするのが好ましい。その方が、磁極間空間３４のより広い領域において、イオンビーム周辺の電位を調整することができるからである。この実施形態では、磁極間空間３４のほぼ全域を覆う長さにしている。

この偏向電磁石３０ａは、更に、上記一対の電位調整電極５２に正の電圧Ｖ₁ をそれぞれ印加する直流の電位調整電源５４を備えている。この電位調整電源５４の正極端は一対の電位調整電極５２にそれぞれ接続されており、負極端は接地されている。磁極３２ａ、３２ｂも電気的に接地されている。

仮に、電位調整電源５４から各電位調整電極５２に印加する電圧Ｖ₁ を０Ｖにした場合（この場合は、電位調整電極５２は磁極３２ａ、３２ｂと同電位になるので、イオンビーム周辺の電位分布は図９等に示した従来の偏向電磁石３０の場合と同様になる）、磁極間空間３４におけるイオンビーム周辺の電位分布および電子３８（図示されていない場合は、例えば図８〜図１０、図２２〜図２７参照。以下同様）のＥ×Ｂドリフトの概要を図１２および図１３に示す。磁場Ｂは磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場であり、電場Ｅはイオンビーム４が作る電場である。符号５６は等電位線を示す。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。以下に述べる電子３８も同様である。

なお、図１３、図１５では、等電位線５６等を図示しやすくするために、上側の磁極３２ａは図示を省略し、かつ上側の電位調整電極５２を想像線で示している。また、図１１以降において、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。

イオンビーム４は前述したように（図６およびその説明参照）正の電位を持っているが、上記電圧Ｖ₁ を０Ｖにした場合は、イオンビーム４の周囲の壁面（即ち磁極３２ａ、３２ｂおよび電位調整電極５２）の電位は０Ｖになり、その影響を受けてイオンビーム４の周辺の電位分布は電子３８の閉じ込めに適さないものになる。即ち、図１２に等電位線５６の概要を示すように、イオンビーム４付近の電位は、周囲の壁面の電位の影響で中央では低くなっており、磁極間空間３４の入口付近および出口付近では、壁面から離れるために電位が復帰して高くなっている。言わば鞍形をしている。例えば、磁極間空間３４の入口部でのイオンビーム４の電位を１００Ｖとした場合、イオンビーム４付近の電位は、高い所（図中に「高」で示す。他の図においても同様）では１００Ｖ近くに、中間の所（図中に「中」で示す。他の図においても同様）では５０Ｖ程度に、低い所（図中に「低」で示す。他の図においても同様）では１０Ｖ以下になる。

この場合の電子３８のＥ×Ｂドリフトの方向は、図１２に示すように、磁極間空間３４のイオンビーム入口側で＋Ｙ方向（即ち紙面の表から裏方向）になり、イオンビーム出口側で−Ｙ方向（即ち紙面の裏から表方向）になる。また、図１２（および図１４等）中に、Ｅ×Ｂドリフトの大きさ｜Ｅ×Ｂ｜を、斜線を付した平行四辺形の面積で示している。

図１２は縦断面図でありイオンビーム４を側方から見たものであるが、イオンビーム４の周辺の電位分布は、上から見ても、図１３に示すように、図１２と同様な分布をしており鞍形をしている。これは、上述したように、電位調整電極５２に印加する電圧Ｖ₁ が０Ｖであるために、イオンビーム４の周囲の壁面の電位は０Ｖであり、図１２と図１３との主な違いは、磁場Ｂの向きだけだからである。

イオンビーム周辺の等電位線５６の分布、即ち電位の分布が鞍形をしている場合は、図１３に示すように、電子３８のドリフト軌道５８は左右に分かれて閉じないので、電子３８は磁極間空間３４外へイオンビーム４に沿う方向に流出して損失する。

一方、電位調整電源５４から各電位調整電極５２に正の電圧Ｖ₁ を印加した場合の、磁極間空間３４におけるイオンビーム周辺の電位分布および電子３８のＥ×Ｂドリフトの概要を図１４および図１５に示す。これは、上記図１２および図１３にそれぞれ対応している。

図１４および図１５は、磁極間空間３４の入口部でのイオンビーム４の電位が１００Ｖであり、かつ上記電圧Ｖ₁ を１００Ｖにした場合の例である。この場合、磁極間空間３４におけるイオンビーム周辺の電位は、電位調整電極５２の電位の影響を受けて、イオンビーム４の中央付近で最も高い凸型の分布になる。例えば、高い所で１５０Ｖ程度になり、そこから周囲に向かって電位が徐々に低くなる。電位調整電極５２の近くでは１００Ｖ程度になる。

イオンビーム周辺の等電位線５６の分布、即ち電位の分布が上記のように凸型をしている場合は、図１５に示すように、電子３８のＥ×ＢドリフトはＸＹ平面内において周回する向きに生じ、電子３８のドリフト軌道５８には、磁極間空間３４を含む空間において閉じたものが含まれるようになる。即ち、この偏向電磁石３０ａにおいては、電位調整電極５２に正の電圧Ｖ₁ を印加することによって、イオンビーム周辺の電位を調整することができ、それによって、イオンビーム周辺の電場Ｅと磁極が作る磁場Ｂとによる電子のＥ×Ｂドリフトの軌道として、磁極間空間３４を含む空間において閉じたものを存在させることができる。

その結果、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。

更には、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、カスプ磁場のような複雑な磁場を形成する必要がないので、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の軌道を余分な磁場で乱す恐れもない。

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。

上記電位調整電源５４から電位調整電極５２に印加する電圧Ｖ₁ は、電位調整電極５２のイオンビーム入口端５２ａにおいてイオンビーム４が作る電位およびイオンビーム出口端５２ｂにおいてイオンビーム４が作る電位の内の高い方よりも高い電圧にするのが好ましい。

そのようにすると、イオンビーム４の中央付近の電位を入口端５２ａおよび出口端５２ｂの電位よりも高めて、イオンビーム周辺の電位分布をより確実に凸型にすることができるので、電子３８のＥ×Ｂドリフトの軌道の内に、磁極間空間３４を含む空間において閉じたものをより確実に存在させることができ、電子３８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。

図１６は、この発明に係る偏向電磁石の第２の実施形態の出口側半分を示す概略縦断面図である。図１７は、図１６に示す偏向電磁石における電子のＥ×Ｂドリフトの方向の概要を示す平面図である。図１６において、入口側半分は、図示を省略しているが、対称中心線７８を中心にして図示と対称の構造をしている（図１７参照）。これは図１８および図１９においても同様である。なお、図１７においては、電子のドリフト方向等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。また、電位調整電極５２は、説明に必要がないので省略している。

この偏向電磁石３０ｂは、前記磁極間空間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、上記第１および第２の磁極３２ａおよび３２ｂと同方向からイオンビーム４の経路を挟むように配置された第１の対の補正電極６１（図１７参照）と、この第１の対の補正電極６１よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第１の対の補正電極６１に並べて配置された第２の対の補正電極６２（図１７参照）と、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、上記第１および第２の磁極３２ａおよび３２ｂと同方向からイオンビーム４の経路を挟むように配置された第３の対の補正電極６３と、この第３の対の補正電極６３よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第３の対の補正電極６３に並べて配置された第４の対の補正電極６４とを備えている。

上記第１〜第４の対の補正電極６１〜６４は、いずれも、板状をしており、前述したＺ方向においてイオンビーム４を、それとの間に空間をあけて挟むように配置されている。より具体的には、各対の補正電極６１〜６４は、磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂの近傍に、磁極３２ａ、３２ｂとは電気的に絶縁して配置されている。

各対の補正電極６１〜６４のＹ方向の長さは、磁極間空間３４をできるだけ長く覆う長さにするのが好ましい。その方が、より広い領域において電子を閉じ込めることができるからである。この実施形態では、磁極間空間３４のＹ方向の長さと同程度の長さにしている。各対の補正電極６１〜６４のＸ方向の長さは、後述する同心半円状の電場（電気力線７０参照）を作ることができる長さがあれば良い。

この偏向電磁石３０ｂは、更に、前記第２の対の補正電極６２の電位を第１の対の補正電極６１の電位よりも低く保つ直流の第１の補正電源（図示省略。それに対応する第２の補正電源６６参照）と、前記第４の対の補正電極６４の電位を第３の対の補正電極６３の電位よりも低く保つ直流の第２の補正電源６６とを備えている。

第２の補正電源６６は、この例では、正極端が第３の対の補正電極６３にそれぞれ接続された直流電源６７と、負極端が第４の対の補正電極６４にそれぞれ接続された直流電源６８とを有している。直流電源６７の負極端および直流電源６８の正極端は接地されている。直流電源６７、６８から出力する電圧をそれぞれＶ₂ 、Ｖ₃ とすると、補正電極６３、６４の電位はそれぞれＶ₂ 、Ｖ₃ となる。図示しないけれども、入口側の第１の補正電源も例えばこれと同様の構成をしている。

第１の補正電源と第２の補正電源とは、互いに別の電源にすれば電場補正の自由度が高まる。また、互いに同一の電源にしても良く、そのようにすれば電源構成の簡素化を図ることができる。同一にする場合は、補正電極６１と６３とに同一の電圧（この例ではＶ₂ ）を印加し、補正電極６２と６４とに同一の電圧（この例ではＶ₃ ）を印加する。

なお、この偏向電磁石３０ｂでは、前述した電位調整電極５２も備えているけれども、この電位調整電極５２は、補正電極６１〜６４と必ず組み合わせて用いなければならないものではない。電位調整電極５２を設けなくても良い。電位調整電極５２を設けてそれに前述したような正の電圧Ｖ₁ を印加すると、電位調整電極５２による前述した効果と、補正電極６１〜６４による以下に述べる効果の両方の効果を奏することができる。

この偏向電磁石３０ｂにおいては、補正電極６３よりも補正電極６４の方が電位が低いので（換言すれば、補正電極６３の方が補正電極６４よりも電位が高いので）、補正電極６３から補正電極６４に向かう、断面が同心半円状の電気力線７０が形成される。この補正電極６３と補正電極６４とが作る電場Ｅ₁ と、イオンビーム４が作る前記電場（これをここではＥ₂ とする）とを合成した電場Ｅと、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場ＢとによるＥ×Ｂドリフトは、図１６に示すように、イオンビーム４に交差する方向になる。より具体的には、＋Ｙ方向になる。このＥ×Ｂドリフトの方向を図１７中に矢印８２で示す。またこのＥ×Ｂドリフトの大きさ｜Ｅ×Ｂ｜を、前記と同様に、図１６中に、斜線を付した平行四辺形の面積で示している。なお、電場Ｅ₁ と電場Ｅ₂ とについては、図１９中により詳しく図示しているので、それも参照するものとする。

入口寄りの第１の対の補正電極６１と第２の対の補正電極６２とが作る電場と、イオンビーム４が作る電場とを合成した電場Ｅと、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場ＢとによるＥ×Ｂドリフトは、補正電極６１、６２が作る電場の向きが反対になって合成の電場Ｅの向きも反対になるので、第３および第４の対の補正電極６３、６４側とは逆向きで、イオンビーム４に交差する方向になる。より具体的には、−Ｙ方向になる。このＥ×Ｂドリフトの方向を、図１７中に矢印８１で示す。

一方、イオンビーム４が作る電場と磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場とによるＥ×Ｂドリフトの方向は、先に図１０等を参照して説明したように、イオンビーム４に沿う向きになる。より具体的には、イオンビーム４の通過方向４２に向かって左側では図１７中に矢印８３で示すように−Ｘ方向になり、右側では矢印８４で示すように＋Ｘ方向になる。

従って、磁極間空間３４において電子３８は、上記イオンビーム４に交差するＹ方向であって入口寄りと出口寄りとで互いに逆向き（図１７中の矢印８１、８２で示す方向）の２種類のＥ×Ｂドリフトと、イオンビーム４に沿うＸ方向（図１７中の矢印８３、８４で示す方向）のＥ×Ｂドリフトが合成された方向にドリフトすることになり、これによって、矢印８１〜８４で示す方向のドリフトが互いにつながるので、イオンビーム４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。そのような電子の閉じたドリフト軌道８６の一例を図１７中に示す。これによって、イオンビーム４内やその近傍に、軌道が捕捉された電子３８を存在させることができる。従って、磁極間空間３４からの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。

上記第１および第２の対の補正電極６１および６２は、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における入口端付近に配置し、第３および第４の対の補正電極６３および６４は、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における出口端付近に配置するのが好ましい（図１９中の補正電極６３、６４参照）。そのようにすると、第１、第２の対の補正電極６１、６２と第３、第４の対の補正電極６３、６４との間の距離を長く取って、イオンビーム通過方向に沿う方向における電子３８の往復の閉じ込め長を長く取ることができるので、イオンビーム４の空間電荷を中和する領域を広く取ることができる。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。

ところで、上記偏向電磁石３０ｂでは、図１６に示すように、上下の補正電極６３、６４の近傍では、補正電極６３、６４の作る電場Ｅ₂ は補正電極６３、６４にほぼ垂直になるので、その電場Ｅ₂ とイオンビーム４が作る電場Ｅ₁ とを合成した電場Ｅは磁場Ｂとほぼ平行になり、Ｅ×Ｂドリフトの大きさ｜Ｅ×Ｂ｜が小さくなって、電子３８の閉じ込めが弱くなる。即ち、図１６中に斜線を付して示すように、弱閉じ込め領域７１、７２が生じる。

そこで、この弱閉じ込め領域の課題を改善することができる実施形態（第３の実施形態）を図１８に示す。図１６に示した実施形態との相違点を主体に説明すると、この偏向電磁石３０ｃでは、前記第３の対の補正電極６３を、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における出口端付近に配置し、第４の対の補正電極６４を、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における出口端よりも外側に配置している。入口側についても、図示を省略しているけれども同様である。即ち、前記第１の対の補正電極６１を、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における入口端付近に配置し、前記第２の対の補正電極６２を、磁極間空間３４のイオンビーム通過方向における入口端よりも外側に配置している。

このようにすると、磁極３２ａ、３２ｂの端部付近では漏れ磁場が存在し、当該磁極３２ａ、３２ｂが作る磁力線３６は磁極間空間３４の外側方向に湾曲したものとなるので、補正電極６４の近傍において上記合成電場Ｅと磁場Ｂとが互いに平行になるのを防止して、図１６に示した弱閉じ込め領域７２が生じるのを防止することができる。また、補正電極６３の近傍に生じる上記弱閉じ込め領域７１を小さくすることができる。これは、入口側の補正電極６１、６２の近傍においても同様である。

このように、図１８に示す偏向電磁石３０ｃによれば、磁極３２ａ、３２ｂの端部付近における磁力線３６の湾曲を利用して、補正電極６１〜６４の近傍における電子３８のＥ×Ｂドリフトの減少を抑制して、電子３８の弱閉じ込め領域を減少させることができるので、電子３８の閉じ込め性能をより高めることができる。しかも、第１、第２の対の補正電極６１、６２と第３、第４の対の補正電極６３、６４との間の距離を長く取って、イオンビーム通過方向に沿う方向における電子３８の往復の閉じ込め長を長く取ることができるので、イオンビーム４の空間電荷を中和する領域を広く取ることができる。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。

上記弱閉じ込め領域の課題を解決することができる他の実施形態（第４の実施形態）を図１９に示す。図１６に示した実施形態との相違点を主体に説明すると、この偏向電磁石３０ｄは、前記磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂであって、前記第３の対の補正電極６３と第４の対の補正電極６４との間に、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一対（第２の対）の永久磁石７５を備えている。上下の永久磁石７５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７５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。

入口側についても、図示を省略しているけれども、上記永久磁石７５と同様の永久磁石を備えている。即ち、前記磁極３２ａ、３２ｂの表面３３ａ、３３ｂであって、前記第１の対の補正電極６１と第２の対の補正電極６２との間に、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一対（第１の対）の永久磁石を備えている。

この偏向電磁石３０ｄにおいては、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場に、永久磁石７５が作る磁場が重畳されて、合成磁場Ｂが形成される。永久磁石７５が作る磁場が湾曲しているので、この合成磁場Ｂも磁極間空間３４の内外方向（換言すれば＋Ｘ方向および−Ｘ方向）に湾曲したものとなる。この磁場Ｂを表す磁力線７６の幾つかを図１９中に示している。このように磁場Ｂが湾曲しているので、補正電極６３および６４の近傍において当該磁場Ｂと上記合成電場Ｅとが互いに平行になるのを防止して、図１６に示した弱閉じ込め領域７１および７２が生じるのを防止または減少させることができる。これは、入口側の補正電極６１、６２の近傍においても同様である。

更に、永久磁石７５の近くでは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７５に近い所でより強くなる。

図２０に、上記磁場Ｂの勾配∇Ｂの、磁力線７６に垂直な成分を∇Ｂ⊥で示している。なお、この図２０では、磁力線７６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７６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７６は磁極間空間３４の内外方向に湾曲しているので、グラディエントＢドリフトは、磁力線７６が磁極間空間３４の内側方向に湾曲した側の半分では図２０に示すように＋Ｙ方向になり、外側方向に湾曲した側の半分では反対に−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。

図２０に示したグラディエントＢドリフト（∇Ｂ⊥×Ｂドリフト）の大きさと向きは、図２１に示すように、Ｙ軸上で最小値を持ち、上下の永久磁石７５付近で最大となる。Ｙ軸方向、即ち棒状の永久磁石７５の長手方向では磁力線７６の湾曲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。

磁極間空間３４の入口側の永久磁石付近においても上記と同様にグラディエントＢドリフトが生じるが、磁力線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。即ち、磁力線が磁極間空間３４の内側方向に湾曲した側の半分ではグラディエントＢドリフトは−Ｙ方向になり、外側方向に湾曲した側の半分では＋Ｙ方向になる。

上記入口側の永久磁石および出口側の永久磁石の磁場によるグラディエントＢドリフトの、補正電極６１付近および補正電極６３付近でのドリフト方向に着目すると、それはそれぞれ図１７に示した矢印８１および８２の方向になる。従って、このグラディエントＢドリフトによって、補正電極６１および６３の近傍における電子のＹ方向のドリフトを強化して、電子の閉じ込め領域を拡大することができる。即ち、図１７中に矢印８１〜８４で示す方向のドリフトが、Ｚ方向におけるより広い領域で互いにつながるようになるので、Ｚ方向におけるより広い領域において電子の軌道に閉じたものが存在するようになる。

このように、図１９に示す偏向電磁石３０ｄによれば、第１の対の永久磁石および第２の対の永久磁石を設けたことによって、補正電極６１〜６４の近傍において電子の弱閉じ込め領域が生じるのを防止または減少させることができ、かつグラディエントＢドリフトによってＹ方向のドリフトを強化することができるので、電子の閉じ込め領域を拡大することができる。従って、電子３８の閉じ込め性能をより一層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、上記第１および第２の対の永久磁石は、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。その場合でも上記と同様の効果を奏する。

ところで、図１８に示した第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃをより詳しく検討すると、磁極３２ａ、３２ｂの端部において当該磁極による磁力線３６が外側にはみ出し、そこの磁場Ｂが弱くなるために、当該磁場Ｂの強い方向に（即ち磁極間空間３４の内側向きに）グラディエントＢが発生し、∇Ｂ×Ｂの向きにグラディエントＢドリフトが発生する。図１８中の｜∇Ｂ×Ｂ｜は、その大きさを示す。また、符号８８は、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場Ｂの大きさ｜Ｂ｜の等高線を示す。上記グラディエントＢドリフトが、前述したＥ×Ｂドリフトによる電子３８の閉じ込め作用を打ち消す方向に働くために、その分、電子３８の閉じ込め性能が若干悪くなる。ちなみに、例えば図１６に示した偏向電磁石３０ｂのように、補正電極６１〜６４が磁極間空間３４の端（即ち磁極３２ａ、３２ｂの端）よりも内側にある場合は、その場所において、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁力線３６の湾曲は無いかまたは小さいので、即ち磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場は均一またはほぼ均一であるので、上記グラディエントＢは発生しないかまたは非常に小さい。磁極間空間３４の内側ほど、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場は均一である。

第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃの上記課題を解決するためには、例えば、図２２に示す第５の実施形態の偏向電磁石３０ｅのように、第３の対の補正電極６３と第４の対の補正電極６０との間であって磁極３２ａ、３２ｂの端部または端部付近に、上記のような一対の永久磁石７５を設ければ良い。図示は省略しているけれども、入口側についても同様に、第１の対の補正電極６１と第２の対の補正電極６２との間であって磁極３２ａ、３２ｂの端部または端部付近に、上記永久磁石７５と同様の一対の永久磁石を設ければ良い。そのようにすると、永久磁石７５が作る磁場（その磁力線の例を符号７６で示す）によって、磁極３２ａ、３２ｂが作る磁場の曲がりを補正して（抑えて）、上記グラディエントＢひいては上記グラディエントＢドリフトを小さくすることができる。その結果、電子３８の閉じ込め性能が向上する。

なお、従来例および上記第１〜第５の実施形態の偏向電磁石における電子３８の閉じ込め性能の比較は、以下において、電子軌道のシミュレーション結果および電子の閉じ込め領域を参照して説明する。

従来の偏向電磁石３０、第１〜第５の実施形態の偏向電磁石３０ａ〜３０ｅにおける電子軌道のシミュレーション結果の例を図２３〜図２９にそれぞれ示す。なお、図２３〜図２９では、磁極３２ａ、３２ｂは、その表面３３ａ、３３ｂのみを図示している。図２４では、磁極の代わりにその表面に設けた電位調整電極５２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２８、図２９に示す偏向電磁石３０ｄ、３０ｅ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７５を磁極３２ａ、３２ｂの表面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。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５６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２３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。電位調整電極５２を設けてそれに印加する電圧Ｖ₁ を０Ｖにした場合も同様である。

図２４に示す第１の実施形態の偏向電磁石３０ａでは、電位調整電極５２に印加する正の電圧Ｖ₁ を１８０Ｖにした。電子３８の軌道が閉じ、電子３８を閉じ込めることができている。

図２５に示す第２の偏向電磁石３０ｂでは、電位調整電極５２、補正電極６３、６４に印加する電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ１５Ｖ、１５Ｖ、−１５Ｖにした。入口側の補正電極６１、６２（図に表れていない）に印加する電圧Ｖ₂ 、Ｖ₃ もそれぞれ１５Ｖ、−１５Ｖにした。電子３８の軌道が閉じ、電子３８を閉じ込めることができている。図２４に示す第１の実施形態では電子を閉じ込めるのに１８０Ｖという高い電圧を必要としたが、この第２の実施形態では電圧を１５Ｖまで下げることができる。

図２６に示す第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃでは、電位調整電極５２、補正電極６３、６４に印加する電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ３０Ｖ、３０Ｖ、−３０Ｖにした。入口側の補正電極６１、６２（図に表れていない）に印加する電圧Ｖ₂ 、Ｖ₃ もそれぞれ３０Ｖ、−３０Ｖにした。電子３８の軌道が閉じ、電子３８を閉じ込めることができている。この実施形態では、電圧は少し高く３０Ｖである。

第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃにおいて、電位調整電極５２、補正電極６３、６４に印加する電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ８Ｖ、８Ｖ、−８Ｖにして、電子３８を閉じ込められなかった場合を図２７に示す。このとき、入口側の補正電極６１、６２（図に表れていない）に印加する電圧もそれぞれ８Ｖ、−８Ｖにした。

図２８に示す第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄのように永久磁石７５を追加すると（図に表れていないが、入口側にも永久磁石７５に対応する永久磁石を追加している）、上記電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ５Ｖ、５Ｖ、−５Ｖに下げても、電子３８の軌道が閉じ、電子３８を閉じ込めることができている。即ち、図２５に示す第２の実施形態よりも電圧を下げることができる。

図２７に示す場合は電子３８を閉じ込めることができなかったが、図２９に示す第５の実施形態の偏向電磁石３０ｅのように永久磁石７５を追加すると（図に表れていないが、入口側にも永久磁石７５に対応する永久磁石を追加しいてる）、図２７の場合と同じ電圧で、即ち上記電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ８Ｖ、８Ｖ、−８Ｖにしても、電子３８の軌道が閉じ、電子３８を閉じ込めることができている。

図２３〜図２９に示した構造の偏向電磁石において、電子３８の閉じ込め範囲を調べるために、磁極間空間３４の中央の原点付近から電子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３０〜図４０に示す。

図３０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、イオンビーム４内およびその周面の全域が非閉じ込め領域Ａ_N である。

図３１は、第１の実施形態の偏向電磁石３０ａにおいて、電圧Ｖ₁ を１８０Ｖにした場合であり、イオンビーム４内およびその周辺の全域が閉じ込め領域Ａ_C である。

第１の実施形態の偏向電磁石３０ａにおいて、電圧Ｖ₁ を３０Ｖにすれば、図３２に示すように、閉じ込め領域Ａ_C は非常に狭くなる。

図３３は、第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂにおいて、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ３０Ｖ、３０Ｖ、−３０Ｖにした場合であり、イオンビーム４内およびその周辺の全域が閉じ込め領域Ａ_C である。図３１の場合よりも低い電圧で済むので、かなり効果が大きい。

図３５は、第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃにおいて、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ３０Ｖ、３０Ｖ、−３０Ｖにした場合であり、イオンビーム４内およびその周辺の全域が閉じ込め領域Ａ_C である。図３１の場合よりも低い電圧で済むので、かなり効果が大きい。

第２の実施形態の偏向電磁石３０ｂと第３の実施形態の偏向電磁石３０ｃとの効果の差を調べるために、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ１５Ｖ、１５Ｖ、−１５Ｖにして電圧を下げて閉じ込め領域を調査した。その結果を図３４、図３６にそれぞれ示す。図３４の方が図３６よりも少し閉じ込め領域Ａ_C が広いので閉じ込め性能が少し良い。

図３７は、第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄにおいて、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ１５Ｖ、１５Ｖ、−１５Ｖにした場合である。同じ電圧で永久磁石を設けていない場合（第２の実施形態）の結果が図３４であり、それと比べると閉じ込め領域Ａ_C が広くなっている。

図３９は、第５の実施形態の偏向電磁石３０ｅにおいて、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ１５Ｖ、１５Ｖ、−１５Ｖにした場合である。同じ電圧で永久磁石を設けていない場合（第３の実施形態）の結果が図３６であり、それと比べると閉じ込め領域Ａ_C が広くなっている。

第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄおよび第５の実施形態の偏向電磁石３０ｅにおいて、電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ をそれぞれ８Ｖ、８Ｖ、−８Ｖに下げた場合を図３８、図４０にそれぞれ示す。図３８の方が図４０よりも少し閉じ込め領域Ａ_C が広いので閉じ込め性能が少し良い。

以上のように、第４および第５の実施形態の偏向電磁石３０ｄおよび３０ｅが、低い電圧で電子３８の閉じ込め性能が高い。両者を厳密に見れば、第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄの方が電子３８の閉じ込め性能が幾分高い。また、第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄは、第５の実施形態の偏向電磁石３０ｅのように補正電極６１、６４を磁極３２ａ、３２ｂの外側に配置しなくて済むので、配置が容易である。従って、第４の実施形態の偏向電磁石３０ｄが実用性が一番高いと言える。

上記各実施形態の偏向電磁石３０ａ〜３０ｅ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〜第５の実施形態の偏向電磁石３０ａ〜３０ｅのいずれかを１以上備えていても良い。例えば、上記偏向電磁石３０ａ〜３０ｅのいずれかを、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縦断面図である。 図１１に示した偏向電磁石において電位調整電極に印加する電圧を０Ｖにしたときの電位分布および電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す縦断面図である。 図１２のイオンビーム付近の電位分布および電子のドリフト軌道の概要を示す平面図である。 図１１に示した偏向電磁石において電位調整電極に印加する電圧を１００Ｖにしたときの電位分布および電子のＥ×Ｂドリフトの概要を示す縦断面図である。 図１４のイオンビーム付近の電位分布および電子のドリフト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の実施形態の出口側半分を示す概略縦断面図である。 図１６に示す偏向電磁石における電子のＥ×Ｂドリフトの方向の概要を示す平面図である。 図１６に示す偏向電磁石の補正電極を出口側へずらした第３の実施形態を示す概略縦断面図である。 この発明に係る偏向電磁石の第４の実施形態の出口側半分を示す概略縦断面図である。 図１９に示す永久磁石を設けたこと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２０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。 この発明に係る偏向電磁石の第５の実施形態の出口側半分を示す概略縦断面図である。 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。 第３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３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４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５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の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要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の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要の一例を示す図である。 第２の実施形態の偏向電磁石における電子の閉じ込め領域および非閉じ込め領域の概要の他の例を示す図である。 第３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の一例を示す図である。 第３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の他の例を示す図である。 第４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の一例を示す図である。 第４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の他の例を示す図である。 第５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の一例を示す図である。 第５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の他の例を示す図である。

符号の説明

２ イオン源
４ イオンビーム
１６ ターゲット
３０ａ〜３０ｅ 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
５２ 電位調整電極
５４ 電位調整電源
６１〜６４ 補正電極
６６ 補正電源
７５ 永久磁石

Claims (5)

1. 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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された一対の電位調整電極と、
   前記一対の電位調整電極に正の電圧を印加する直流の電位調整電源とを備えていることを特徴とする偏向電磁石。
2. 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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された第１の対の補正電極と、
   前記第１の対の補正電極よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第１の対の補正電極に並べて配置された第２の対の補正電極と、
   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、前記第１および第２の磁極と同方向からイオンビームの経路を挟むように配置された第３の対の補正電極と、
   前記第３の対の補正電極よりもイオンビーム通過方向における外側に位置するように第３の対の補正電極に並べて配置された第４の対の補正電極と、
   前記第２の対の補正電極の電位を前記第１の対の補正電極の電位よりも低く保つ直流の第１の補正電源と、
   前記第４の対の補正電極の電位を前記第３の対の補正電極の電位よりも低く保つ直流の第２の補正電源とを備えていることを特徴とする偏向電磁石。
3. 前記第１の補正電源と第２の補正電源とは互いに同一の電源である請求項２記載の偏向電磁石。
4. 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、前記第１の対の補正電極と第２の対の補正電極との間に、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、前記第３の対の補正電極と第４の対の補正電極との間に、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更に備えている請求項２または３記載の偏向電磁石。
5. 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。

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