JP4240109B2 - イオン注入装置 - Google Patents

Description

この発明は、リボン状のイオンビームを基板に入射させることと、基板をイオンビームの主面と交差する方向に移動させることとを併用して、基板にイオン注入を行うイオン注入装置に関する。

この種のイオン注入装置においては、基板に対するイオン注入の均一性を高めるために、リボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）のイオンビームの長手方向（この明細書においてはＹ方向）のイオンビーム電流密度分布の均一性が良いことが重要である。

リボン状のイオンビームの長手方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させる技術として、例えば特許文献１には、複数のフィラメントを有するイオン源の各フィラメント電流を制御して、基板にイオンビームを入射させる注入位置の近傍において、イオンビーム電流密度分布の均一性を向上させる技術が記載されている。

また、特許文献２には、１次元で走査される電子ビームをイオン源のプラズマ生成容器内に入射して、この電子ビームによってガスを電離させてプラズマを生成させることによって、イオン源から引き出すイオンビームのビーム電流密度分布を向上させる技術が記載されている。

特開２０００−３１５４７３号公報（段落００１２−００１５、図１） 特開２００５−３８６８９号公報（段落０００６−０００８、図１）

特許文献１に記載の技術では、イオンビームの長手方向にフィラメントを複数個並べても、各フィラメント間には空間が不可避的に存在するため、フィラメント間の領域においてプラズマ密度ひいてはイオンビーム電流密度が低下することは避けられない。従って、イオンビーム電流密度分布の均一性を高めることには限界がある。

特許文献２に記載の技術では、イオン源から引き出すイオンビームの均一性を向上させることができたとしても、イオンビームの輸送途中で均一性が悪化する場合があるので、注入位置でのイオンビーム電流密度分布の均一性が良いという保証はない。

そこでこの発明は、基板に対する注入位置での長手方向（Ｙ方向）のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができるイオン注入装置を提供することを主たる目的としている。

この発明に係る第１のイオン注入装置は、イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ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Ｘ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームを輸送してそれを基板に照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、
ガスが導入されるプラズマ生成容器内にアーク放電発生用の１以上のフィラメントを有していて、Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、
前記イオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置と、
電子ビームを発生させてそれを前記イオン源のプラズマ生成容器内へ放出して当該電子ビームによって前記ガスを電離させてプラズマを生成するものであって、当該電子ビームを前記プラズマ生成容器内においてＹ方向に走査する１以上の電子ビーム源と、
前記各電子ビーム源に、前記電子ビームの発生量を制御する引出し電圧および前記走査用の走査電圧をそれぞれ供給する１以上の電子ビーム用電源と、
前記注入位置またはその近傍において、Ｙ方向における複数のモニタ点において前記イオンビームのＹ方向のイオンビーム電流密度分布を測定するイオンビームモニタと、
前記イオンビームモニタからの測定データに基づいて前記電子ビーム用電源を制御することによって、前記各電子ビーム源から発生させる電子ビームの量を実質的に一定に保ちつつ、前記イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの走査速度を相対的に大きくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの走査速度を相対的に小さくすることの少なくとも一方を行って、前記イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している制御装置とを備えている。

この第１のイオン注入装置においては、イオンビームモニタによって、注入位置またはその近傍におけるＹ方向のイオンビーム電流密度分布が測定される。そして、制御装置は、イオンビームモニタからの測定データに基づいて電子ビーム用電源を制御して、イオン源のプラズマ生成容器内における電子ビームの走査速度を制御して、当該電子ビームによって生成するプラズマの密度を制御する。具体的には、各電子ビーム源から発生させる電子ビームの量を実質的に一定に保ちつつ、イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビームの走査速度を相対的に大きくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビームの走査速度を相対的に小さくすることの少なくとも一方を行って、イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御を行う。これによって、注入位置でのＹ方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができる。

（ａ）前記制御装置を、前記各電子ビーム用電源から前記各電子ビーム源に供給する前記走査電圧の元になる走査信号を前記各電子ビーム用電源に供給する機能と、前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、前記決定したモニタ点に対応する前記電子ビーム源およびその走査電圧を決定する機能と、前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して増大させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して減少させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記走査信号の波形を整形する機能と、前記整形後の走査信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しているものとし、かつ（ｂ）前記各電子ビーム用電源を、前記制御装置から供給される走査信号を増幅して前記走査電圧を作る増幅器を有しているものとしても良い。

この明細書において「実質的に全てのモニタ点」というのは、全てのモニタ点が好ましいけれども、重要でない幾つかのモニタ点を除外しても構わないという趣旨である。

この発明に係る第２のイオン注入装置は、イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ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Ｘ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームを輸送してそれを基板に照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、
ガスが導入されるプラズマ生成容器内にアーク放電発生用の１以上のフィラメントを有していて、Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、
前記イオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置と、
電子ビームを発生させてそれを前記イオン源のプラズマ生成容器内へ放出して当該電子ビームによって前記ガスを電離させてプラズマを生成するものであって、当該電子ビームを前記プラズマ生成容器内においてＹ方向に走査する１以上の電子ビーム源と、
前記各電子ビーム源に、前記電子ビームの発生量を制御する引出し電圧および前記走査用の走査電圧をそれぞれ供給する１以上の電子ビーム用電源と、
前記注入位置またはその近傍において、Ｙ方向における複数のモニタ点において前記イオンビームのＹ方向のイオンビーム電流密度分布を測定するイオンビームモニタと、
前記イオンビームモニタからの測定データに基づいて前記電子ビーム用電源を制御することによって、前記各電子ビーム源から発生させる電子ビームの走査速度を実質的に一定に保ちつつ、前記イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの発生量を相対的に少なくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの発生量を相対的に多くすることの少なくとも一方を行って、前記イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している制御装置とを備えている。

この第２のイオン注入装置においては、イオンビームモニタによって、注入位置またはその近傍におけるＹ方向のイオンビーム電流密度分布が測定される。そして、制御装置は、イオンビームモニタからの測定データに基づいて電子ビーム用電源を制御して、電子ビーム源からの電子ビームの発生量を制御して、当該電子ビームによってプラズマ生成容器内で生成するプラズマの密度を制御する。具体的には、各電子ビーム源から発生させる電子ビームのＹ方向における走査速度を実質的に一定に保ちつつ、イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビームの発生量を相対的に少なくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビームの発生量を相対的に多くすることの少なくとも一方を行って、イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御を行う。これによって、注入位置でのＹ方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができる。

（ａ）前記制御装置を、前記各電子ビーム用電源から前記各電子ビーム源に供給する前記引出し電圧の元になる引出し信号を前記各電子ビーム用電源に供給する機能と、前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、前記決定したモニタ点に対応する前記電子ビーム源およびその走査電圧を決定する機能と、前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して減少させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して増大させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記引出し信号の波形を整形する機能と、前記整形後の引出し信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しているものとし、かつ（ｂ）前記各電子ビーム用電源を、前記制御装置から供給される引出し信号を増幅して前記引出し電圧を作る増幅器を有しているものとしても良い。

前記イオン源と前記注入位置との間に設けられていて、前記イオン源からのイオンビームをＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石を更に備えていても良い。

前記分析電磁石と前記注入位置との間に設けられていて、静電界によって、前記イオンビームをＸ方向に曲げると共に加速または減速を行う加減速器を更に備えていても良い。

請求項１〜６に記載の発明によれば、上記のような構成を有しているので、基板に対する注入位置でのＹ方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができる。その結果、基板に対するイオン注入の均一性を高めることができる。

しかも、フィラメントを用いたプラズマ生成と、電子ビーム源を用いたプラズマ密度分布制御によるイオンビーム電流密度分布の均一化とを併用しているので、大電流でしかも均一性の良いイオンビームを基板に照射してイオン注入を行うことが容易になる。

請求項７〜１０に記載の発明によれば、上記のような分析電磁石を備えているので、次の更なる効果を奏する。

即ち、分析電磁石の各コイルは上記のような扇型筒状の積層コイルに本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしているので、渡り部は、本体部の端部からＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっている。従って、本体部のＹ方向における寸法を大きくする場合でも、それに対応させて渡り部のＹ方向における寸法を大きくすれば済むので、ビーム入出射方向への渡り部の張り出し距離は大きくならない。このような構造によって、コイルの渡り部の、ヨークからのビーム入出射方向への張り出し距離を小さくすることができる。

従って、分析電磁石の小型化が可能になり、ひいては分析電磁石の設置に必要な面積を小さくすることができる。分析電磁石の軽量化も可能になる。また、コイルの渡り部が発生する磁界がイオンビームの形態を乱す可能性も小さくなる。

また、各コイルの渡り部の張り出し距離を小さくすることができることに伴って、渡り部の長さも短くすることができるので、渡り部における無駄な消費電力を小さくすることができる。しかも、各コイルは、絶縁シートを挟んで導体シートを積層した構造をしているので、被覆導体を多数回巻いたマルチターンコイルに比べて、導体の占積率が高く、そのぶん電力損失が少ない。従って、消費電力を小さくすることができる。

その結果、分析電磁石の小型化に伴ってイオン注入装置の小型化が可能になり、ひいてはイオン注入装置の設置に必要な面積を小さくすることができる。イオン注入装置の軽量化も可能になる。また、分析電磁石における消費電力を小さくすることができることに伴って、イオン注入装置の消費電力を小さくすることができる。

請求項８に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、分析電磁石が上記のような第１コイルおよび第２コイルを備えているので、Ｙ方向の寸法が大きいイオンビームに対応することが容易になる。

請求項９に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、分析電磁石が内側コイルに加えて、上記のような第１外側コイルおよび第２外側コイルを備えているので、イオンビームのビーム経路に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビームの形態の乱れを小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。

請求項１０に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、分析電磁石が第１内側コイルおよび第２内側コイルに加えて、上記のような第１外側コイルおよび第２外側コイルを備えているので、Ｙ方向の寸法が大きいイオンビームに対応することが容易になると共に、イオンビームのビーム経路に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビームの形態の乱れをより小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。

請求項１１に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような磁極を備えていることによって、両磁極間のギャップに磁界が集中しやすくなるので、ビーム経路に磁束密度の高い磁界を発生させることが容易になる。

請求項１２に記載の発明によれば、上記のような加減速器を備えているので、次の更なる効果を奏する。

即ち、加減速器において、二つの電極体に分けて構成された第２の電極の部分でイオンビームを偏向させることができ、これによってエネルギー分離の作用効果を奏する。また、第３の電極の存在によって、特定のエネルギーを有するイオンビームを効率良く導出することができると共に、それ以外のイオンや中性粒子を第３の電極で効率良く阻止することができるので、エネルギーコンタミネーションをより効果的に抑制することができる。特に、減速モード時には第１の電極と第２の電極との間におけるイオンの減速時に荷電変換によって中性粒子が発生しやすいことが経験的に分かっているけれども、中性粒子が多く発生してもこれは直進して第３の電極に衝突して阻止されるので、加減速器内において中性粒子を効果的に除去することができる。

更に、イオンビームを２段階に分けて加速することができ、その内の後段での加速前にイオンビームを偏向させることができるので、偏向が容易になる。更に、不所望イオンの衝突によって発生した電子を第２の電極で曲げて当該電子が第１の電極に到達することを防止することができるので、当該電子の衝突によって発生するＸ線のエネルギーを低くすることができる。

（１）イオン注入装置全体について
図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。この明細書および図面においては、イオンビーム５０の進行方向を常にＺ方向とし、このＺ方向に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Ｘ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向である。なお、Ｙ方向は一定の方向であるが、Ｘ方向は絶対的な方向ではなく、イオンビーム５０の経路上の位置によって変化する（例えば図１参照）。またこの明細書において、イオンビーム５０を構成するイオンは正イオンの場合を例に説明している。

このイオン注入装置は、基板６０にリボン状のイオンビーム５０を照射してイオン注入を行う装置であり、リボン状のイオンビーム５０を発生させるイオン源１００と、このイオン源１００からのイオンビーム５０をＸ方向に曲げて運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行うものであってその下流側に所望運動量のイオンビーム５０の焦点（Ｘ方向における焦点。以下同様）５６を形成する分析電磁石２００と、この分析電磁石２００を通過したイオンビーム５０を基板６０に入射させる注入位置で基板６０をイオンビーム５０の主面５２（図２、図３参照）と交差する方向に移動させる（矢印Ｃ参照）基板駆動装置５００とを備えている。この移動は、例えば、往復直線運動である。基板駆動装置５００は、基板６０を保持するホルダ５０２を有している。

イオン源１００から基板６０までのイオンビーム５０の経路は、図示しない真空容器内にあって、真空雰囲気に保たれる。

この明細書において「主面」とは、リボン状またはシート状のもの（例えばイオンビーム５０、後述する絶縁シート２６６、２６７、導体シート２６８、２６９等）の端面ではなく、大きい方の面を意味している。「下流側」または「上流側」というのは、それぞれ、イオンビーム５０の進行方向Ｚに見て下流側または上流側の意味である。また、イオン源１００から発生させたイオンビーム５０と、分析電磁石２００から導出されるイオンビーム５０とは、その内容が異なるが、即ち前者は運動量分析前、後者は運動量分析後であるが、両者の相違は自明であるので、この明細書では両者の符号を区別せずに、いずれもイオンビーム５０で表している。

イオン源１００から発生させて基板６０まで輸送するイオンビーム５０は、例えば図２に示すように、Ｘ方向の寸法Ｗ_X よりもＹ方向の寸法Ｗ_Y が大きいリボン状をしている。即ちＷ_Y ＞Ｗ_X である。イオンビーム５０は、リボン状と言ってもＸ方向の寸法Ｗ_X が紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム５０のＸ方向の寸法Ｗ_X は３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y は、基板６０の寸法にも依るが、３００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。このイオンビーム５０の大きい方の面、即ちＹＺ面に沿う面が主面５２である。

イオン源１００は、図３に示す例のように、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y が基板６０のＹ方向の寸法Ｔ_Y よりも大きいリボン状のイオンビーム５０を発生させる。例えば、寸法Ｔ_Y が３００ｍｍ〜４００ｍｍであれば、寸法Ｗ_Y は４００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。このような寸法関係と、基板６０を上記のように移動させることとによって、基板６０の全面にイオンビーム５０を照射してイオン注入を行うことができる。

基板６０は、例えば、半導体基板、ガラス基板、その他の基板である。その平面形状は円形でも良いし四角形でも良い。

分析電磁石２００からのイオンビーム５０の焦点５６付近には、分析電磁石２００と協働してイオンビーム５０の運動量分析を行うスリット７０が設けられている。分析スリット７０は、Ｙ方向に実質的に平行に伸びたスリット７２を有している。分析スリット７０をイオンビーム５０の焦点５６付近に設けているのは、イオンビーム５０の輸送効率と、運動量分析の分解能の両方を高めるためである。

なお、分析電磁石２００、分析スリット７０および後述する加減速器４００は、必要に応じて設ければ良い。

後で詳述するけれども、イオン源１００（より具体的にはそれを構成するプラズマ生成容器１１８）内には、複数の電子ビーム源Ｇｎが設けられている。各電子ビーム源Ｇｎには、それに対応する電子ビーム用電源１１４から、電子ビームの発生量を制御する引出し電圧およびＹ方向走査用の走査電圧がそれぞれ供給される。電子ビーム源Ｇｎおよび電子ビーム用電源１１４の数は、この実施形態ではそれぞれ二つであるが、それに限られるものではなく、それぞれ一つでも良いし、二つ以外の複数でも良い。即ちどちらの数も１以上で任意である。

イオンビーム５０を基板６０に入射させる注入位置またはその近傍において、かつＹ方向における複数のモニタ点において、イオンビーム５０のＹ方向のビーム電流密度分布を測定するイオンビームモニタ８０が設けられている。このイオンビームモニタ８０から上記ビーム電流密度分布を表す測定データＤ₁ が出力され、それが制御装置９０に供給される。

イオンビームモニタ８０は、例えば図１に示す例のように、注入位置の後方（換言すれば下流側）近傍に設けても良いし、注入位置の前方（換言すれば上流側）近傍に設けても良いし、注入位置へ移動させるようにしても良い。このイオンビームモニタ８０と基板６０およびホルダ５０２とは、相互に邪魔にならないようにすれば良い。例えば、イオンビームモニタ８０を注入位置の後方近傍に設ける場合は、測定時には基板６０およびホルダ５０２を測定の邪魔にならない位置に移動させれば良い。イオンビームモニタ８０を注入位置の前方近傍に設ける場合は、注入時にはイオンビームモニタ８０を注入の邪魔にならない位置に移動させれば良い。

このイオン注入装置は、更に、イオンビームモニタ８０から与えられる測定データＤ₁ に基づいて各電子ビーム用電源１１４を制御する制御装置９０を備えている。制御装置９０は、この実施形態では、後述するフィラメント電流Ｉｆの制御も行うことができる。

（２）イオン源１００、電子ビーム源Ｇｎ等とその制御について
イオン源１００は、図４に示すように、ガス導入口１１９を通してプラズマ生成用のガス（蒸気の場合を含む）１２０が導入される、例えば直方体状をしたプラズマ生成容器１１８内に１以上（この実施形態では三つ）のフィラメント１２２を有しており、この各フィラメント１２２と陽極を兼ねるプラズマ生成容器１１８との間でアーク放電を発生させてガス１２０を電離させてプラズマ１２４を生成し、このプラズマ１２４から、引出し電極系１２６によって、上記のようなリボン状のイオンビーム５０を引き出す構成をしている。

ガス１２０は、所望の元素（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａs 等のドーパント）を含むガスである。より具体例を挙げれば、ＢＦ₃ 、ＰＨ₃ 、ＡsＨ₃ 、Ｂ₂Ｈ₆ 等の原料ガスを含むガスである。

ガス導入口１１９は、必要に応じて、Ｙ方向に複数個設けても良い。そのようにすれば、プラズマ生成容器１１８内におけるガス濃度分布を均一化して、プラズマ密度分布を均一化することが容易になる。

引出し電極系１２６は、１枚以上（図示例では３枚）の電極を有している。各電極は、相対応する位置にイオン引出し孔１２８をそれぞれ有している。引出し電極系１２６（より具体的にはその電極）のイオン引出し孔１２８の形状、配列等は、引き出すイオンビーム５０の断面形状に応じたものにすれば良い。例えば、イオン引出し孔１２８は、図５に示す例のようにＹ方向に並べられた複数（多数）の小孔でも良いし、Ｙ方向に伸びたスリットでも良い。イオンビーム５０のＸ方向の寸法Ｗ_X に応じて、上記のような複数のイオン引出し孔１２８から成る列を、Ｘ方向に複数列（例えば２〜３列）有していても良い。

フィラメント１２２の数は、１以上で任意であるが、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y が大きくかつ均一性の良いイオンビーム５０を発生させるためには、複数のフィラメント１２２をＹ方向に配列するのが好ましい。

各フィラメント１２２の形状は、例えば図４、図５に示す例のようにＵ字状のものでも良いし、図６に示す例のようにＹ方向に沿って伸びた線状のものでも良いし、その他の形状でも良い。

Ｕ字状のフィラメント１２２は、図４に示すようにＹＺ平面内で曲げ戻された形状をしていても良いし、図５に示す例のようにＸＺ平面内で曲げ戻された形状をしていても良い。

各フィラメント１２２は、図４に示すように、電圧可変のフィラメント電源１３４からフィラメント電流Ｉｆが供給されて加熱され、熱電子を放出する。フィラメント１２２の一方端とプラズマ生成容器１１８との間には、前記アーク放電発生用の直流のアーク電源１３６が接続されている。フィラメント電源１３４は、この実施形態では、制御装置９０から供給されるフィラメント電流制御信号Ｓｆに応答して、上記フィラメント電流Ｉｆを変化（増減）させることができる。

フィラメント電源１３４は、この例では一つのフィラメント１２２に一つずつ設けている。但し、複数のフィラメント電源１３４は、必ずしも別個のものである必要はなく、それらを一つにまとめて、各フィラメント１２２に互いに独立してフィラメント電流Ｉｆを流すことのできる一つのフィラメント電源としても良い。アーク電源１３６は、この例では全てのフィラメント１２２に共用のものであるが、一つのフィラメント１２２に一つずつ設けても良い。共用のものにすれば、構成を簡素化することができる。

プラズマ生成容器１１８の周りに、プラズマ１２４の生成・維持のための多極磁場（マルチカスプ磁場）形成用の磁石を配置しておいても良い。そのような構造のイオン源は、バケット型イオン源（または多極磁場型イオン源）とも呼ばれる。

上記複数のフィラメント１２２の間に、より具体的には中間に、電子ビーム源Ｇｎがそれぞれ配置されている。各電子ビーム源Ｇｎは、図７に示すように、この実施形態では、電子（熱電子）を放出するフィラメント１４０と、当該電子を電子ビーム１３８として引き出す陽極１４４と、両者１４０、１４４間に配置されていて電子ビーム１３８のエネルギーを変えずに電子ビーム発生量を制御する引出し電極１４２と、外部に取り出す電子ビーム１３８をＹ方向に走査する一対の走査電極１４６とを有している。

このような構成によって、各電子ビーム源Ｇｎは、電子ビーム１３８を発生させてそれをイオン源１００のプラズマ生成容器１１８内へ放出して、当該電子ビーム１３８によってガス１２０を電離させてプラズマ１２４を生成することができる。かつ、当該電子ビーム１３８をイオン源１００内（より具体的にはプラズマ生成容器１１８内）においてＹ方向に１次元で走査することができる。その走査軌跡の一例を図５、図６中に示す。この電子ビーム源Ｇｎは、簡単に言えば、フィラメント１２２によって生成するプラズマ１２４の密度分布を補正するためのものである。この実施形態ではこのような電子ビーム源Ｇｎを二つ有している。但し二つに限られるものではなく、一つでも良いし、二つ以外の複数でも良い。即ち１以上で任意である。

各電子ビーム用電源１１４は、図７に示す例では、フィラメント１４０を加熱するフィラメント電源１５０と、フィラメント１４０と引出し電極１４２との間に電子ビーム１３８の発生量を制御する直流の引出し電圧Ｖｅを印加する引出し電源１５２と、フィラメント１４０と陽極１４４との間に直流の陽極電圧Ｖａを印加するエネルギー制御電源１５４と、一対の走査電極１４６間にＹ方向走査用の走査電圧Ｖｙを印加する増幅器１５６とを有している。フィラメント電源１５０は、この実施形態では直流電源であるが、交流電源でも良い。

制御装置９０は、一例として、走査電圧Ｖｙの元になる走査信号Ｓｙを供給する機能を有しており、増幅器１５６は、制御装置９０から供給される走査信号Ｓｙを増幅（電圧増幅）して、上記走査電圧Ｖｙを作る（出力する）。走査電圧Ｖｙは、この例では、陽極１４４の電位を基準にして、±方向に振られる。このような構成によって、各電子ビーム用電源１１４は、それに対応する各電子ビーム源Ｇｎに、電子ビーム１３８の発生量を制御する引出し電圧Ｖｅ、Ｙ方向走査用の走査電圧Ｖｙ等をそれぞれ供給することができる。

電子ビーム源Ｇｎから取り出される電子ビーム１３８のエネルギーは、簡単に言えば、上記陽極電圧Ｖａの大きさによって決まり、当該エネルギーはＶａ［ｅＶ］となる。この電子ビーム１３８のエネルギーは、プラズマ生成容器１１８内において電子衝撃によって前記ガス１２０を電離させることができる大きさにしておく。例えば、ガス１２０が前述したような種類のガスである場合、５００ｅＶ〜３ｋｅＶ程度に、より具体的には１ｋｅＶ程度にすれば良い。

イオンビームモニタ８０は、Ｙ方向における複数のモニタ点においてイオンビーム５０のＹ方向のイオンビーム電流密度分布を測定するものである。このイオンビームモニタ８０は、例えば図９に示す例のように、Ｙ方向に配列された複数（多数）のビーム電流測定器（例えばファラデーカップ）８２を有している。この複数のビーム電流測定器８２は、Ｙ方向に、イオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y よりも幾分長く配列しておいても良い。そのようにすれば、イオンビーム５０のＹ方向の全体を測定することができる。各ビーム電流測定器８２が各モニタ点に相当する。但し図９は概略図であり、ビーム電流測定器８２の個数、形状、配列等は図９に示すものに限られない。

例えば、各ビーム電流測定器８２を、図９に示す例のような円形ではなく、Ｘ方向に伸びた短冊状のものにしても良い。その場合、各ビーム電流測定器８２は、そのＸ方向の寸法を、それに入射するイオンビーム５０のＸ方向の寸法Ｗ_X よりも大きくしておいて、Ｘ方向においてはイオンビーム５０の全体を受けることができるようにしておいても良い。そのようにすれば、イオンビーム５０のＸ方向におけるイオンビーム電流密度分布の影響を排除することができる。換言すれば、Ｘ方向においては平均のイオンビーム電流密度を測定することができる。前述したように基板６０はＸ方向に沿って（Ｘ方向に平行とは限らない）移動させられるので、各ビーム電流測定器８２を上記のようにしておくと、基板６０に対する実際のイオン注入により近い状態で、イオンビーム５０のイオンビーム電流密度分布を測定することができる。

また、イオンビームモニタ８０は、一つのビーム電流測定器８２を移動機構によってＹ方向に移動させる構造のものでも良い。

なお、モニタ点は、この明細書においては、数学上の面積を有しない点のことではなく、イオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y に比べてＹ方向の寸法が十分に小さい、所定の面積を有する小さな測定箇所のことである。

各モニタ点の面積は予め分かっているから、各モニタ点でイオンビーム５０のビーム電流をそれぞれ測定することと、各モニタ点でビーム電流密度を測定することとは、実質的に同じである。これは、各モニタ点で測定したビーム電流を上記面積で割ることによって、各モニタ点におけるビーム電流密度を得ることができるからである。

図１に示したイオン源１００からイオンビームモニタ８０までを簡略化して示すと図８のようになる。１７０はイオンビーム輸送系をまとめて示すものである。イオン源１００におけるＹ方向とイオンビームモニタ８０におけるＹ方向とは、互いに実質的に平行に取ることができるけれども、イオンビーム輸送系１７０は必ずしも直線状ではないので（図１参照）、イオン源１００におけるＸ方向とイオンビームモニタ８０におけるＸ方向とは、必ずしも図８に示すように互いに平行になるものではないが、それで支障はない。

制御装置９０は、この実施形態では、ＣＰＵ、記憶装置、入力用のＡＤ変換器、出力用のＤＡ変換器等を有するコンピュータから成る。この制御装置９０は、次の（Ａ）または（Ｂ）の制御を行う機能を有している。（Ａ）、（Ｂ）両方の制御を同時に行うことはない。

（Ａ）電子ビームの走査速度制御
この場合の制御装置９０は、イオンビームモニタ８０からの測定データＤ₁ に基づいて各電子ビーム用電源１１４を制御することによって、各電子ビーム源Ｇｎから発生させる電子ビーム１３８の量を実質的に一定に保ちつつ、（ａ）イオンビームモニタ８０で測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビーム１３８の走査速度を相対的に大きくすることと、（ｂ）測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビーム１３８の走査速度を相対的に小さくすることの両方を行って、イオンビームモニタ８０で測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している。

（Ｂ）電子ビーム量の制御
この場合の制御装置９０は、イオンビームモニタ８０からの測定データＤ₁ に基づいて各電子ビーム用電源１１４を制御することによって、各電子ビーム源Ｇｎから発生させる電子ビーム１３８のＹ方向における走査速度を実質的に一定に保ちつつ、（ａ）イオンビームモニタ８０で測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビーム１３８の発生量を相対的に少なくすることと、（ｂ）測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での電子ビーム１３８の発生量を相対的に多くすることの両方を行って、イオンビームモニタ８０で測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している。

上記（Ａ）、（Ｂ）いずれの場合も、制御装置９０は、上記（ａ）、（ｂ）の制御の内の少なくとも一方を行うものでも良いけれども、両方を行う方が、イオンビーム電流密度分布を均一化する制御は速くなるので好ましい。なお、上記「機能」は「手段」と言い換えることもできる。後述する他の機能についても同様である。

上記（Ａ）、（Ｂ）の制御のより具体例を以下に説明する。

（Ａ）電子ビームの走査速度制御
この場合は、電子ビーム用電源１１４には図７に示したものを用いる。そしてこの例では、引出し電源１５２から出力する引出し電圧Ｖｅを一定にしておいて、電子ビーム源Ｇｎから発生させる電子ビーム量は一定にしておく。エネルギー制御電源１５４から出力する陽極電圧Ｖａも一定にしておいて、電子ビーム１３８のエネルギーも一定にしておくのが好ましいので、この実施形態ではそれらを一定にしておく。この場合に、制御装置９０を用いて行う制御のフローチャートを図１０〜図１２に示す。

制御に先立ち、イオンビームモニタ８０上のモニタ点Ｐｙと、そのモニタ点Ｐｙのイオンビーム電流密度を増減させるのを分担する電子ビーム源Ｇｎおよびその電子ビーム源Ｇｎに供給する走査電圧Ｖｙとの対応関係を予め調べてそれを制御装置９０内に保存しておく。但し、電子ビーム源Ｇｎが１個の場合は、電子ビーム源Ｇｎは一義的に決まっているので、分担する電子ビーム源Ｇｎを調べて保存しておく必要はない。下記の対応関係に電子ビーム源Ｇｎを含める必要もない。

この対応関係は、イオンビームモニタ８０上の任意のモニタ点Ｐｙに着目すれば、そのモニタ点Ｐｙのイオンビーム電流密度を増減させる電子ビーム源Ｇｎはどれか、かつその電子ビーム源Ｇｎに供給する走査電圧Ｖｙはどんな値か、という関係であり、次の数１で表すことができる。添字のｉ，ｊ，ｋは、より具体的な位置を表しており、それぞれ整数である。この対応関係は、例えば、どの電子ビーム源Ｇｎのどんな走査電圧Ｖｙのときに、どのモニタ点Ｐｙのイオンビーム電流密度が増減するかを調べることによって決定することができる。この対応関係は、装置構成によって一義的に決まるので、装置構成に変更がない限り、一度決めれば良い。そして、この対応関係を表すデータを制御装置９０（より具体的にはその記憶装置）内に格納しておけば良い。

［数１］
Ｐｙ_i ←→（Ｇｎ_j ，Ｖｙ_k ）

それ以降を図１０等を参照して説明する。基板６０に照射するイオンビーム５０の所望のイオンビーム電流密度Ｉｓｅｔおよびその許容誤差εを制御装置９０に設定する（ステップ９００）。この設定したイオンビーム電流密度Ｉｓｅｔを設定イオンビーム電流密度と呼ぶ。許容誤差εは、設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔに対して、実際のイオンビーム電流密度、具体的にはイオンビームモニタ８０で測定するイオンビーム電流密度Ｉｍｏｎがどの程度までずれるのを許容するかというものである。

次に、フィラメント条件の粗設定を行う（ステップ９０１）。これは、プラズマ１２４の生成に電子ビーム源Ｇｎを用いずフィラメント１２２だけを用いてイオン源１００からイオンビーム５０を引き出して、イオンビームモニタ８０で測定されるイオンビーム電流密度Ｉｍｏｎを手動で粗く設定することである。具体的には、各フィラメント電源１３４を調整してイオン源１００の各フィラメント１２２に流すフィラメント電流Ｉｆを粗く設定する。このとき、アーク電源１３６から流すアーク電流の調整を併用しても良い。この粗設定も、イオン源１００やイオン注入装置の構成に変更がない限り、原則的には、１回行えば良い。

上記フィラメント条件の粗設定をより精密に行えば、後の制御（例えばステップ９０５以降の制御）をより速く完了させることが可能になる。図１６の例の場合も同様である。

例えば、上記粗設定では、全てのモニタ点Ｐｙで、測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔに近く、かつその分布がある程度均一になるように設定するのが好ましい。そのようにした概略例を図１３、図１４Ａに示す。図１３は設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔよりも測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎを若干小さくした例を示し、図１４Ａでは若干大きくした例を示す。どちらに設定しても良い。

なお、大まかに言えば、図１３に示すように、測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎのピークの位置は、ほぼフィラメント１２２の位置に対応している。ＡＧ₁ は一方の電子ビーム源Ｇｎの寄与領域、ＡＧ₂ は他方の電子ビーム源Ｇｎの寄与領域である。但しこの図はあくまでも概略図である。

次に、制御装置９０から各電子ビーム用電源１１４（より具体的にはその増幅器１５６）に、初期波形の走査信号Ｓｙを供給して、同波形の走査電圧Ｖｙを出力させる（ステップ９０２）。この初期波形は、例えば、三角波である。周波数は、例えば１０ｋＨｚであるが、これに限られるものではない。

各電子ビーム源Ｇｎは、上記初期波形でＹ方向に走査される電子ビーム１３８を発生させる。これとフィラメント１２２とを用いて、イオン源１００内でプラズマ１２４を生成させて、イオンビーム５０を引き出す（ステップ９０３）。そして、このイオンビーム５０をイオンビームモニタ８０で受けて、イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎを測定する（ステップ９０４）。その例が前述した図１３、図１４Ａに示すものであるが、以下では図１４Ａを例に説明する。

更に、制御装置９０において以下の演算等の処理を行う。即ち、イオンビームモニタ８０からの測定データＤ₁ に基づいて、イオンビームモニタ８０で測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度Ｉｍｏｎの平均値Ｉａｖｅを算出する（ステップ９０５）。これはある一つの値である。

次に、上記平均値Ｉａｖｅと上記設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔとを比較して、両者が実質的に等しいか否かを判定し（ステップ９０６）、実質的に等しければステップ９０８に進み、そうでなければステップ９０７に進む。「実質的に等しい」というのは、等しいか、所定の小さな誤差範囲に入っているということである。「ほぼ等しい」と言い換えることもできる。

ステップ９０７は、フィラメント電流制御サブルーチンであり、その中身を図１１に示す。ここでは、まず、平均値Ｉａｖｅが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔより大か否かを判定し（ステップ９２０）、大であればステップ９２１に進み、そうでなければステップ９２２に進む。

ステップ９２１では、制御装置９０から供給するフィラメント制御信号Ｓｆによって各フィラメント電源１３４を制御して、イオン源１００の全てのフィラメント１２２に流すフィラメント電流Ｉｆを所定量だけ一律に（換言すれば一様に。即ち同じ量だけ。以下同様）下げる。ステップ９２２では、上記とは反対に、全てのフィラメント１２２に流すフィラメント電流Ｉｆを所定量だけ一律に上げる。上記所定量は、例えば、フィラメント条件の粗設定終了時（ステップ９０１）のフィラメント電流Ｉｆの１〜２％程度である。この所定量を大きくすれば制御は速くなるが収束しない恐れが高くなり、逆に小さくすれば制御は遅くなるが上記恐れはなくなるので、両者の兼ね合いで決めれば良い。

もっとも、上記フィラメント電流制御サブルーチン（ステップ９０７）および後述する電子ビーム走査速度制御サブルーチン（ステップ９１０）を含めたステップ９００〜９１１の制御は、基板６０に対するイオンビーム注入処理時にリアルタイムで行うのではなく、基板６０の処理の前または中断時等の適当な時期に行えば良く、制御のスピードが問題になることは殆どないので、スピードよりも安定性や確実性を重視した制御を行うようにすれば良い。例えば、分単位の時間がかかっても構わない。図１６〜図１７に示す制御の場合も同様である。

ステップ９０７のフィラメント電流制御サブルーチン後は、上記ステップ９０５に戻り、ステップ９０６でＹＥＳと判定されるまで上記制御を繰り返す。これによって、平均値Ｉａｖｅが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔに実質的に等しくなる。その状態の概略例を図１４Ｂに示す。そしてステップ９０８に進む。

ステップ９０８では、上記Ｙ方向分布の測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎと設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔの差であるＹ方向分布の誤差Ｉｅｒｒを、例えば次式に従って算出する。

［数２］
Ｉｅｒｒ＝Ｉｍｏｎ−Ｉｓｅｔ

次に、イオンビーム５０が入射する全てのモニタ点Ｐｙで、上記誤差の大きさ（絶対値）｜Ｉｅｒｒ｜が上記許容誤差ε以下であるか否かを判定し（ステップ９０９）、以下でない点が一つでもあればステップ９１０に進み、そうでなければステップ９１１に進む。

但し、この実施形態のようにイオンビーム５０が入射する全てのモニタ点Ｐｙについて判定するのが好ましいけれども、重要でない幾つかのモニタ点Ｐｙについての判定を除外しても構わない。また、イオンビーム５０が入射しないモニタ点Ｐｙについて判定する必要はない。即ち、イオンビーム５０が入射する実質的に全てのモニタ点について判定すれば良い。

ステップ９１０は、電子ビーム走査速度制御サブルーチンであり、その中身を図１２に示す。ここでは、まず、上記誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜が許容誤差εより大きいモニタ点Ｐｙの決定（換言すれば、特定。以下同様）と、その大きいモニタ点Ｐｙでの誤差Ｉｅｒｒの正負とを決定する（ステップ９３０）。上記数２から分かるように、この例では、測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔより大の場合が正であり、小の場合が負である。図１４Ｂも参照。上記のようにして決定されるモニタ点Ｐｙの数は、制御の初期では通常は多く、ステップ９０５〜９０９の制御が進むにつれて少なくなる。

次に、上記決定した各モニタ点Ｐｙに対応する電子ビーム源Ｇｎおよびその走査電圧Ｖｙを決定する（ステップ９３１）。これは、前述した対応関係（数１およびその説明参照）を用いて行うことができる。但し、電子ビーム源Ｇｎが１個の場合は、電子ビーム源Ｇｎは一義的に決まっているので、電子ビーム源Ｇｎを決定する必要はない。

次に、誤差Ｉｅｒｒが正の各モニタ点Ｐｙに対応する走査電圧Ｖｙのときの電子ビーム１３８の走査速度を誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して増大させ、かつ、誤差Ｉｅｒｒが負の各モニタ点Ｐｙに対応する走査電圧Ｖｙのときの電子ビーム１３８の走査速度を誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して減少させるように、上記走査信号Ｓｙの波形を整形する（ステップ９３２）。これによって、走査信号Ｓｙの波形は、初期の三角波から幾らか変形したものとなる。簡単に言えば、走査速度を増減させる位置での傾きが、初期波形の三角波から増減したような波形となる。

より精密な制御を行うためには、走査速度が異なる２点間の走査速度は、両点の走査速度を補間した走査速度にするのが好ましい。

電子ビーム１３８の走査速度を増大させると、増大させた位置での電子ビーム１３８によるプラズマ１２４の生成は少なく（薄く）なり、そこから引き出されるイオンビーム５０のビーム電流密度は小さくなる。電子ビーム１３８の走査速度を減少させると、減少させた位置での電子ビーム１３８によるプラズマ１２４の生成は多く（濃く）なり、そこから引き出されるイオンビーム５０のビーム電流密度は大きくなる。

なお、電子ビーム１３８の走査速度を増大させるということは、走査信号Ｓｙの時間変化率ｄＳｙ／ｄｔひいては走査電圧Ｖｙの時間変化率ｄＶｙ／ｄｔを増大させ、走査速度を減少させるということは、同時間変化率ｄＳｙ／ｄｔひいてはｄＶｙ／ｄｔを減少させるということである。

電子ビーム１３８の走査速度を誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して増減させるときの比例定数は、適宜決めれば良い。この比例定数を大きくすれば、制御は速くなるが収束しない恐れが高くなり、逆に小さくすれば制御は遅くなるが上記恐れはなくなるので、両者の兼ね合いで決めれば良い。

そして、上記のようにして波形整形した後の走査信号Ｓｙを用いて、各電子ビーム源Ｇｎから発生させる電子ビーム１３８を走査する（ステップ９３３）。即ち、波形整形後の走査信号Ｓｙを増幅器１５６で増幅して得られる走査信号Ｖｙを用いて電子ビーム１３８を走査する。これによって、上記誤差Ｉｅｒｒは小さくなり、それが許容誤差εよりも大きいモニタ点Ｐｙの数も減る。もっとも、上記波形整形に伴って、測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎの平均値Ｉａｖｅが変わる場合がある。その状態の概略例を図１４Ｃに示す。

そこで、ステップ９１０の電子ビーム走査速度制御サブルーチン後は、上記ステップ９０５に戻る。そして、ステップ９０９でＹＥＳと判定されるまで上記制御を繰り返す。これによって、イオンビーム５０が入射する全ての（または実質的に全ての）モニタ点Ｐｙで誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜が許容誤差ε以下となる。かつ、平均値Ｉａｖｅが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔに実質的に等しくなる（ステップ９０６参照）。その状態の概略例を図１４Ｄに示す。

ステップ９０９でＹＥＳと判定されれば、上記波形整形後の走査信号Ｓｙのデータおよび上記フィラメント電流Ｉｆのデータを、更に必要に応じてその他のデータを、制御装置９０（より具体的にはその記憶装置）内に保存する（ステップ９１１）。これによって、制御装置９０を用いてＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御は終了する。

上記均一化制御の終了後は、必要に応じて、上記保存データを用いてイオン源１００からイオンビーム５０を引き出して、基板６０に対するイオン注入を行えば良い。

以上のようにこのイオン注入装置によれば、基板６０に対する注入位置でのＹ方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができる。その結果、基板６０に対すにイオン注入の均一性を高めることができる。

しかも、フィラメント１２２を用いたプラズマ生成と、電子ビーム源Ｇｎを用いたプラズマ密度分布制御によるイオンビーム電流密度分布の均一化とを併用しているので、大電流でしかも均一性の良いイオンビーム５０を基板６０に照射してイオン注入を行うことが容易になる。次の実施形態においても同様である。

（Ｂ）電子ビーム量の制御
この場合の例を、主として図１５〜図１７を参照して説明する。これらの図において、上記（Ａ）の制御と同一または相当する部分には同一符号を付しており、以下においては上記（Ａ）の制御との相違点を主体に説明する。

この場合は、電子ビーム用電源１１４には図１５に示すものを用いる。この電子ビーム用電源１１４は、前記直流の引出し電源１５２の代わりに、フィラメント１４０と引出し電極１４２との間に電子ビーム１３８の発生量を制御する引出し電圧Ｖｅを印加する増幅器１６２を有している。制御装置９０は、この例の場合は、引出し電圧Ｖｅの元になる引出し信号Ｓｅを供給する機能を有しており、増幅器１６２は、制御装置９０から供給される引出し信号Ｓｅを増幅（電圧増幅）して引出し電圧Ｖｅを作る（出力する）。また、前記増幅器１５６の代わりに、単純に三角波の走査電圧Ｖｙを出力する走査電源１６６を有している。

つまり、この例では、走査電圧Ｖｙの波形および大きさを一定にしておいて、電子ビーム源Ｇｎから発生させる電子ビーム１３８の走査速度を一定にしておく。エネルギー制御電源１５４から出力する陽極電圧Ｖａも一定にしておいて、電子ビーム１３８のエネルギーも一定にしておくのが好ましいので、この実施形態ではそれらを一定にしておく。走査電圧Ｖｙの周波数は、例えば１０ｋＨｚであるが、これに限られるものではない。

この場合に制御装置９０を用いて行う制御のフローチャートを図１６、図１７に示す。図１６では、図１０に示したステップ９０２をステップ９１２で置き換えており、ステップ９１０をステップ９１３で置き換えている。フィラメント電流制御サブルーチン（ステップ９０７）の中身は、図１１に示したものと同じであるので、それを参照するものとする。

ステップ９１２では、制御装置９０から各電子ビーム用電源１１４（より具体的にはその増幅器１６２）に、初期波形の引出し信号Ｓｅを供給して、同波形の引出し電圧Ｖｅを出力させる。この初期波形は、例えば、電圧値一定の直流電圧である。

ステップ９１３は、電子ビーム量制御サブルーチンであり、その中身を図１７に示す。ステップ９３０、９３１は図１２のものと同じであるので重複説明を省略する。

ステップ９３１に続くステップ９３４では、上記誤差Ｉｅｒｒが正の各モニタ点Ｐｙに対応する走査電圧Ｖｙのときの引出し電圧Ｖｅを、上記誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して減少させ、かつ、誤差Ｉｅｒｒが負の各モニタ点Ｐｙに対応する走査電圧Ｖｙのときの引出し電圧Ｖｅを、上記誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して増大させるように、上記引出し信号Ｓｅの波形を整形する。これによって、引出し信号Ｓｅの波形は、初期の一定値から幾らか変形したものとなる。簡単に言えば、電子ビーム量を増減させる位置での電圧値が、初期波形の一定値から増減したような波形となる。

引出し信号Ｓｅひいては引出し電圧Ｖｅを増大させると、増大させた位置での電子ビーム量が増大し、その位置での電子ビーム１３８によるプラズマ１２４の生成は多く（濃く）なり、そこから引き出されるイオンビーム５０のビーム電流密度は大きくなる。引出し信号Ｓｅひいては引出し電圧Ｖｅを減少させると、減少させた位置での電子ビーム量が減少し、その位置での電子ビーム１３８によるプラズマ１２４の生成は少なく（薄く）なり、そこから引き出されるイオンビーム５０のビーム電流密度は小さくなる。

引出し電圧Ｖｅを誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜に比例して増減させるときの比例定数は、適宜決めれば良い。この比例定数を大きくすれば、制御は速くなるが収束しない恐れが高くなり、逆に小さくすれば制御は遅くなるが上記恐れはなくなるので、両者の兼ね合いで決めれば良い。

そして、上記のようにして波形整形した後の引出し信号Ｓｅを用いて、各電子ビーム源Ｇｎから電子ビーム１３８を発生させる（ステップ９３５）。これによって、上記誤差Ｉｅｒｒは小さくなり、それが許容誤差εよりも大きいモニタ点Ｐｙの数も減る。この場合も、上記波形整形に伴って、測定イオンビーム電流密度Ｉｍｏｎの平均値Ｉａｖｅが変わる場合がある。その状態の概略例は、図１４Ｃに示したのと同様である。

そこで、ステップ９１３の電子ビーム量制御サブルーチン後は、上記ステップ９０５に戻る。そして、ステップ９０９でＹＥＳと判定されるまで上記制御を繰り返す。これによって、イオンビーム５０が入射する全ての（または実質的に全ての）モニタ点Ｐｙで誤差の大きさ｜Ｉｅｒｒ｜が許容誤差ε以下となる。かつ、平均値Ｉａｖｅが設定イオンビーム電流密度Ｉｓｅｔに実質的に等しくなる（ステップ９０６参照）。その状態の概略例は、図１４Ｄに示したのと同様である。

ステップ９０９でＹＥＳと判定されれば、上記波形整形後の引出し信号Ｓｅのデータおよび上記フィラメント電流Ｉｆのデータを、更に必要に応じてその他のデータを、制御装置９０（より具体的にはその記憶装置）内に保存する（ステップ９１１）。これによって、制御装置９０を用いてＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御は終了する。

この実施形態によっても、基板６０に対する注入位置でのＹ方向のイオンビーム電流密度分布の均一性を向上させることができる。その結果、基板６０に対するイオン注入の均一性を高めることができる。

なお、図１８に示す例のように、各電子ビーム源Ｇｎをプラズマ生成容器１１８内とは別に真空排気される筒１７２内に収納して、矢印Ｑに示すように、電子ビーム源Ｇｎを差動排気するようにしても良い。そのようにすれば、電子ビーム源Ｇｎの真空度を良くすることができるので、プラズマ生成容器１１８内に導入された前記ガス１２０（図４参照）によって電子ビーム源Ｇｎの機能が低下するのを防止することができる。

上記筒１７２の前面付近に、図１８に示す例のように、メッシュ電極１７４を設けておいても良い。そのようにすれば、メッシュ電極１７４によってプラズマ１２４をシールドすることができるので、プラズマ１２４が電子ビーム源Ｇｎに入り込んで電子ビーム源Ｇｎの機能が低下するのを防止することができる。

また、上記のような筒１７２やメッシュ電極１７４を設けるか否かとに拘わらず、各電子ビーム源Ｇｎをプラズマ生成容器１１８外の近傍に配置し、そこからプラズマ生成容器１１８内へ電子ビーム１３８を放出させるようにしても良い。

また、前述したように、フィラメント１２２および電子ビーム源Ｇｎ等の数は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y 等に応じて適宜選定すれば良い。更にフィラメント１２２および電子ビーム源Ｇｎの配置の仕方も、上記実施形態のものに限定されるものではなく、必要とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y 等に応じて適宜決定すれば良い。

（３）分析電磁石について
上記分析電磁石２００を説明する。それに先立ち、比較のために、従来の分析電磁石をまず説明する。

（３−１）従来の分析電磁石
リボン状のイオンビームの運動量分析を志向した分析電磁石の一例が、例えば特許文献３に記載されている。

特許文献３：特開２００４−１５２５５７号公報（段落０００６、００２２、図１、図２１）

特許文献３に記載されている従来の分析電磁石を図４３を参照して説明する。この図では、コイル１２、１８の形状を分かりやすくするために、ヨーク３６は二点鎖線で示している。イオンビーム２の進行方向をＺ方向とし、このＺ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Ｘ方向およびＹ方向とすると、この分析電磁石４０には、Ｙ方向に長い縦長のリボン状のイオンビーム２が入口２４から入射され、出口２６から出射される。

この分析電磁石４０は、特許文献３の図１に記載されているような上下二つのコイル１２、１８と、同文献の図２１に記載されているヨークに相当するヨーク３６とを組み合わせた構成をしている。

コイル１２は、鞍型のコイル（特許文献３ではバナナ型コイルと呼んでいる）であり、イオンビーム２の経路（ビーム経路）を挟んで相対向している一組の本体部（特許文献３ではコイル主体部と呼んでいる）１４と、両本体部１４のＺ方向に沿う方向における端部同士間を、ビーム経路を避けるように斜めに跳ね上げて接続している一組の渡り部（特許文献３では端部跳ね上げ部と呼んでいる）１６とを有している。入口２４と出口２６とで渡り部１６を斜めに跳ね上げているのは、それにイオンビーム２が当たらないようにしてビーム通過領域を確保するためである。

コイル１８も、コイル１２と同様の構造をした鞍型のコイルであり（但し、コイル１２とは実質的に面対称の形をしている）、一組の本体部２０と一組の渡り部２２とを有している。

両コイル１２、１８は、それぞれ、周囲を絶縁物によって被覆された導体（被覆導体）を多数回巻いたマルチターンのコイルであって、平面形状が扇型をしているコイルに対して、その両端部付近に曲げ加工を施して上記渡り部１６、２２を形成するという方法で製造される。上記導体には、通常、中に冷媒（例えば冷却水）が流される中空導体（ホローコンダクター）が使用される。この明細書において「絶縁」とは、電気絶縁を意味する。

両コイル１２、１８の本体部１４、２０の外側をヨーク３６が一括して囲んでいる。

上記分析電磁石４０においては次のような課題がある。

（Ａ）入口２４および出口２６において、ヨーク３６からの渡り部１６、２２のビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ₁ が大きい。これは主として次の理由による。

（ａ）上記のようなＹ方向に長いリボン状のイオンビーム２をできるだけ均一に偏向させるためには、両コイル１２、１８の本体部１４、２０はそのＹ方向の寸法ａを大きくして縦長に（図４３に示す例よりも大きく縦長に）する必要があるが、コイル１２、１８は上記のように扇型のコイルに曲げ加工を施して渡り部１６、２２を形成したものであるため、上記寸法ａが張り出し距離Ｌ₁ にほぼそのまま反映される。従って、寸法ａを大きくするほど張り出し距離Ｌ₁ も大きくなる。

（ｂ）コイル１２、１８は上記のような扇型のコイルをコイルに曲げ加工を施して渡り部１６、２２を形成したものであるために、曲げ加工上の制約から、本体部１４、２０と渡り部１６、２２との境付近に比較的大きな曲がり部３０、３２が生じるのを避けることができず、この曲がり部３０、３２が存在している分、ヨーク３６の端部と渡り部１６、２２の端部との間の距離Ｌ₂ が大きくなり、この距離Ｌ₂ が上記張り出し距離Ｌ₁ に含まれるため、張り出し距離Ｌ₁ が大きくなる。上記寸法ａを大きくするほど、曲げ加工上の制約から、曲がり部３０、３２の曲率半径を大きくしなければならず、距離Ｌ₂ ひいては張り出し距離Ｌ₁ は大きくなる。

即ち、張り出し距離Ｌ₁ は次式で表すことができる。

［数３］
Ｌ₁ ＝ａ＋Ｌ₂

（ｃ）渡り部１６、２２を斜めに跳ね上げているため、これも張り出し距離Ｌ₁ を大きくする原因になっている。

上記のようにヨーク３６からの渡り部１６、２２の張り出し距離Ｌ₁ が大きいと、その分、分析電磁石４０が大型化し、分析電磁石４０の設置に必要な面積も大きくなり、ひいてはイオン注入装置も大型になり、その設置に必要な面積も大きくなる。分析電磁石４０の重量も重くなる。また、ヨーク３６外にある渡り部１６、２２が発生する磁界（これをフリンジフィールドと呼ぶこともある）がイオンビーム２の形態（形状および姿勢。以下同様）を乱す可能性も大きくなる。

（Ｂ）コイル１２、１８における消費電力が大きい。これは主として次の理由による。

（ａ）渡り部１６、２２はイオンビーム２を偏向させる磁界を発生させるものではないが、上記のように渡り部１６、２２の張り出し距離Ｌ₁ が大きいのでその分、渡り部１６、２２の長さも長くなって渡り部１６、２２における無駄な消費電力が大きく、これがコイル１２、１８における消費電力を大きくしている。

（ｂ）コイル１２、１８は上記のように被覆導体のマルチターンコイルであるので、コイル１２、１８の断面中に占める導体面積の割合（即ち導体の占積率）を大きく取るのが難しく、そのぶん電力損失が大きくなって消費電力が大きくなる。被覆導体が中空のホローコンダクターの場合は、導体の占積率はより小さくなり、電力損失がより大きくなるので、消費電力はより大きくなる。

上記のようにコイル１２、１８における消費電力が大きいと、分析電磁石４０の消費電力が大きくなり、ひいてはイオン注入装置の消費電力も大きくなる。

従来の分析電磁石４０が有する上記課題を、次に述べる分析電磁石２００によれば解決することができる。以下においては、分析電磁石２００全体の構成、各コイルの構造の詳細、各コイルの製造方法、分析電磁石２００の特長、制御方法、他の例等を順に説明する。

（３−２）分析電磁石２００の全体の構成
分析電磁石２００の一例を図１９〜図２１等に示す。図２１は真空容器２３６を除いて示す。この分析電磁石２００は、上記リボン状のイオンビーム５０が入射され、当該イオンビーム５０の通り道であるビーム経路２０２にＹ方向に沿う磁界を発生させて、イオンビーム５０をＸ方向に曲げて運動量分析を行うものである。上記磁界を、図２０等において磁力線２０４で模式的に表している。即ち、この分析電磁石２００にイオンビーム５０が入射すると、イオンビーム５０は、進行中に上記磁界によって、その進行方向Ｚに見て右向きのローレンツ力Ｆ_X を受けて右向きに偏向され、それによって運動量分析が行われる。このイオンビーム５０の中心軌道５４を図１９中に一点鎖線で示す。その曲率半径をＲとする。分析電磁石２００によってイオンビーム５０を偏向させる角度（偏向角）をαとする。

曲率半径Ｒは、例えば、３００ｍｍ〜１５００ｍｍである。偏向角αは、例えば、６０度〜９０度である。図１９は偏向角αが９０度の場合を例示している。

分析電磁石２００は、図２２も参照して、第１内側コイル２０６と、第２内側コイル２１２と、１以上の（この実施形態では三つの）第１外側コイル２１８と、１以上の（この実施形態では三つの）第２外側コイル２２４と、ヨーク２３０と、一組の磁極２３２とを備えている。ビーム経路２０２は、非磁性材から成る真空容器２３６によって囲まれていて、真空雰囲気に保たれる。この真空容器２３６は分析管とも呼ばれる。

第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２は、図２３に抜き出して示しているので、それを参照した方が分かりやすい。

各コイル２０６、２１２、２１８、２２４は、この例では、ビーム経路２０２のＹ方向における中心を通りかつＸＺ平面に平行な対称面２３４（図２０等参照）に関して、Ｙ方向において実質的に面対称の形状をしている。後述するコイル３２０（図３７、図３９等参照）、第１コイル３２６、第２コイル３２８（図４０参照）も同様である。このように面対称にすることによって、ビーム経路２０２に、Ｙ方向において対称性の良い磁界を発生させることが容易になる。これは、分析電磁石２００から出射する時のイオンビーム５０の形態の乱れを小さく抑えることに寄与する。

なお、以下において、複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４をそれぞれ区別する必要がある場合は、図２０、図２４、図２８等に示すように、第１外側コイル２１８についてはＹ方向の上側から順に第１外側コイル２１８ａ、２１８ｂ、２１８ｃとし、第２外側コイル２２４については、上記のように第１外側コイル２１８とは面対称であるので、Ｙ方向の下側から順に第２外側コイル２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃとする。

また、図面において、コイル２０６等を示す符号にアンダーラインを付しているのは、当該コイル等の全体を示す意味である。

第１内側コイル２０６は、主に図２３、図２７を参照して、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビーム５０のＹ方向の一方側（この実施形態では上側）のほぼ半分以上（換言すれば実質的に半分以上）をカバーする一組の本体部２０８と、両本体部２０８のＺ方向に沿う方向における端部（換言すれば、分析電磁石２００の入口２３８側の端部および出口２４０側の端部。他のコイルにおいても同様）同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２１０とを有している鞍型のコイルであって、第２内側コイル２１２と協働して、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させるものである。主磁界というのは、主に当該磁界によって、イオンビーム５０をほぼ所定の曲率半径Ｒで曲げる、そのような磁界のことである。

鞍型と呼んでいるのは、当該第１内側コイル２０６を全体として見れば、鞍に似た形をしているからである。他のコイル２１２、２１８、２２４および後述するコイル３２６、３２８も同様である。

渡り部２１０は、イオンビーム５０が当たるのを避けると共に、そこで発生する磁界がイオンビーム５０に及ぼす影響を小さくするために、ビーム経路２０２から、Ｙ方向の上側に離して設けている。他のコイルの渡り部もこれと同様の目的で、ビーム経路２０２から、Ｙ方向の上側または下側に離して設けている。

第２内側コイル２１２は、主に図２３を参照して、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビーム５０のＹ方向の他方側（この実施形態では下側）のほぼ半分以上（換言すれば実質的に半分以上）をカバーする一組の本体部２１４と、両本体部２１４のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２１６とを有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において第１内側コイル２０６と互いに重ねて配置されていて、第１内側コイル２０６と協働して、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させるものである。即ち、この第２内側コイル２１２は、第１内側コイル２０６と同方向の磁力線２０４を発生させる。

この第２内側コイル２１２も、第１内側コイル２０６と同様の寸法、構造をしている。導体（具体的には導体シート２６８。図２５等参照）の巻回数も通常は第１内側コイル２０６と同数にする。但し、上述したように第１内側コイル２０６とは対称面２３４に関して面対称の形状にしている。渡り部２１６は、渡り部２１０とはビーム経路２０２を挟んでＹ方向の反対側（即ち下側）に設けられている。

第１内側コイル２０６と第２内側コイル２１２との間には、図２３では線で示しているけれども、若干の（例えば約２０ｍｍの）隙間２４２を設けている。そこに、後述する冷却板３１２（図３４参照）を、第１内側コイル２０６側に１枚、第２内側コイル２１２側に１枚の合計２枚設けることができる。

各第１外側コイル２１８は、主に図２２を参照して、それぞれ、第１内側コイル２０６の外側にあってビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部２２０と、両本体部２２０のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２２２とを有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させるものである。各第１外側コイル２１８は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。

より具体的には、各第１外側コイル２１８の本体部２２０および渡り部２２２の横部（図２７に示す横部２８４に相当する部分）は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。渡り部２２２の縦部（図２７に示す縦部２８２に相当する部分）は、厳密に見れば上記のように重ねて配置されていると言いにくいかも知れないが、それでも全体として見れば、各第１外側コイル２１８はＹ方向においてそれぞれ重ねて配置されていると言うことができる。各第２外側コイル２２４も同様である。

各第１外側コイル２１８は、それぞれ、第１内側コイル２０６とほぼ同様の構造をしている。但し、Ｙ方向の寸法は第１内側コイル２０６よりも小さい。また、導体の巻回数も通常は第１内側コイル２０６よりも少ない。各第１外側コイル２１８は、導体（具体的には導体シート２６９。図２５等参照）の巻回数をそれぞれ同数にしている。各第１外側コイル２１８のＹ方向の寸法は、この実施形態ではそれぞれ異ならせているが、同じにしても良い。各第２外側コイル２２４においても同様である。

例えば、各コイルの本体部および渡り部のＹ方向の寸法は、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２においては約２３０ｍｍ、第１外側コイル２１８ａおよび第２外側コイル２２４ａにおいては約５０ｍｍ、第１外側コイル２１８ｂおよび第２外側コイル２２４ｂにおいては約６０ｍｍ、第１外側コイル２６０ｃおよび第２外側コイル２２４ｃにおいては約１００ｍｍである。

各第１外側コイル２１８間、各第２外側コイル２２４間および一番下の第１外側コイル２１８（２１８ｃ）と一番上の第２外側コイル２２４（２２４ｃ）との間には、図２２では線で示しているけれども、若干の隙間２４４、２４６、２４８をそれぞれ設けている（図２４も参照）。そこに後述する冷却板３１２（図３４参照）を設けることができる。例えば、隙間２４４、２４６の寸法は約１０ｍｍ、隙間２４８の寸法は上記隙間２４２に合わせて約２０ｍｍである。隙間２４４、２４６は、各外側コイル２１８、２２４に沿って全周に設けている。

各第１外側コイル２１８は、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２と同方向の磁界を発生させるものでも良いし、逆方向の磁界を発生させるものでも良いし、磁界の向きを制御によって反転させるものでも良い。各第２外側コイル２２４においても同様である。各第１外側コイル２１８の本体部２２０で発生させる磁力線（磁界）の一部は、ビーム経路２０２側に広がる（換言すれば漏れ出す）ので、上記主磁界に影響を及ぼす。従って、各第１外側コイル２１８は、上記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させることができる。その場合、各第１外側コイル２１８は、それぞれ、主にその内側付近領域における主磁界を補助または補正する作用を奏する。各第２外側コイル２２４においても同様である。

各第２外側コイル２２４は、主に図２２を参照して、それぞれ、第２内側コイル２１２の外側にあってビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部２２６と、両本体部２２６のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２２８とを有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させるものである。各第２外側コイル２２４は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。かつＹ方向において第１外側コイル２１８と重ねて配置されている。

各第２外側コイル２２４は、それぞれ、第２内側コイル２１２とほぼ同様の構造をしている。但し、Ｙ方向の寸法は第２内側コイル２１２よりも小さい。また、導体の巻回数も通常は第２内側コイル２１２よりも少ない。各第２外側コイル２２４の導体（具体的には導体シート）の巻回数、Ｙ方向の寸法については上述のとおりである。

各導体の巻回数の一例を挙げると、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２の導体の巻回数は、それぞれ１１０回程度、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４の導体の巻回数は、それぞれ８５回程度である。

各コイルの本体部２０８、２１４、２２０、２２６は、それぞれ、そのほぼ全体がヨーク２３０内に位置していて、ビーム経路２０２に目的とする磁界（主磁界または副磁界）を発生する部分であると言うこともできる。後述するコイル３２０の本体部３２２も同様である。

各コイルの渡り部２１０、２１６、２２２、２２８は、一組の本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間を電気的に接続して、本体部と協働して、ループ状の導電経路を形成する部分であると言うこともできる。後述するコイル３２０の渡り部３２４、３２５も同様である。

図２０は、図１９の線Ａ−Ａに沿う縦断面図であるので、図２０には、上記各コイル２０６、２１２、２１８、２２４の本体部２０８、２１４、２２０、２２６が表されている。後述する図３９〜図４１においても、各コイルの本体部が表されている。

ヨーク２３０は、強磁性材から成り、上記各コイル２０６、２１２、２１８および２２４の本体部２０８、２１４、２２０および２２６の外側を一括して取り囲んでいる。このようなヨーク２３０によって、外部への漏れ磁場を少なくすることができるという効果も奏する。このヨーク２３０の平面形状は、図１９に示すようにいわゆる扇型をしている。このヨーク２３０の断面（ＸＹ平面に沿う断面）形状は、四角の枠状をしている。このようなヨーク２３０は、ウインドウフレーム型のヨークと呼ぶ場合もある。

この実施形態では、ヨーク２３０を構成する上部ヨーク２３１を着脱可能にしている。この上部ヨーク２３１の用い方は後述する。

一組の磁極２３２は、それぞれ、強磁性材から成り、ビーム経路２０２を挟んでＹ方向において相対向するように、ヨーク２３０から内側に突出している。例えば１５ｍｍ程度突出している。各磁極２３２の平面形状は、図１９に示すイオンビーム５０の中心軌道５４に沿った円弧状をしている。これを扇型と呼ぶ場合もある。両磁極２３２間のギャップ長Ｇは、イオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y よりもある程度（例えば１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度）大きい。このような磁極２３２は、必須ではないけれども、これを備えていると、両磁極２３２間のギャップに磁力線２０４が集中しやすくなるので、ビーム経路２０２に磁束密度の高い磁界を発生させることが容易になる。

両磁極２３２間のギャップ長Ｇは、例えば、上記曲率半径Ｒの１／２以上の大きさを有している。具体例を挙げると、曲率半径Ｒが８００ｍｍの場合、ギャップ長Ｇは例えば５００ｍｍである。ギャップ長Ｇは、通常、各磁極２３２の幅Ｗ_G 以上の大きさを有している。即ち、Ｇ≧Ｗ_G である。このような寸法関係にすると、磁極２３２およびヨーク２３０を無用に大きくせずに済む。

なお、図２０〜図２２において、第１内側コイル２０６と第１外側コイル２１８との間、および、第２内側コイル２１２と第２外側コイル２２４との間に隙間が存在しているように見えるけれども、それらの間には、この実施形態では、図２４、図２５に示す積層絶縁体２６２が介在している。

（３−３）分析電磁石２００の各コイルの構造等
次に、上記各コイルの構造等を詳述する。図２４は、図２２中の線Ｄ−Ｄに沿って、第１内側コイルおよび第１外側コイルの断面を拡大して示す概略図である。図２５は、図２４に示した第１内側コイルおよび一番上の第１外側コイルを分解して示す断面図である。

第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８は、第１の積層絶縁体２６１の外周面に、主面２６６ａがＹ方向に沿う絶縁シート２６６および主面２６８ａがＹ方向に沿う導体シート２６８を互いに重ね合わせたもの（組２６４）を複数回巻いて積層し（Ｙ方向に交差する矢印２７０方向に積層。以下同様）、その外周面に第２の積層絶縁体２６２を形成し、その外周面に、主面２６７ａがＹ方向に沿う絶縁シート２６７および主面２６９ａがＹ方向に沿う導体シート２６９を互いに重ね合わせたもの（組２６５）を複数回巻いて積層し、更にその外側に第３の積層絶縁体２６３を形成した扇型筒状の積層コイル２９０（図２９参照）に、上記本体部２０８、２２０および渡り部２１０、２２２を残して、切欠き部２７２〜２７５（図２２参照）を設けた構造をしている。

切欠き部２７２〜２７５を理解しやすくするために、第１内側コイル２０６の切欠き部２７２〜２７５を図２７に示す。第１外側コイル２１８にもこれと同様の切欠き部２７２〜２７５が設けられている。

上記曲率半径Ｒの内外方向に位置する二つの切欠き部２７２、２７３には、ヨーク２３０が嵌まる。即ち、ヨーク２３０の形状に合った形状をしている。後述するコイル３２０の切欠き部２７６〜２７９も同様である。イオンビーム５０の進行方向Ｚ側の二つの切欠き部２７４、２７５は、上記入口２３８、出口２４０の上半分をそれぞれ形成する。

第２の積層絶縁体２６２は、第１内側コイル２０６を構成していると見ても良いし（図２５ではそのように図示している）、第１外側コイル２１８を構成していると見ても良いし、両コイル２０６、２１８で共有していると見ても良い。

図２９に示す積層コイル２９０は、その断面構造を図３０に示すように、図２５と同様の断面構造をしている内側コイル２９２および外側コイル２９４から成る。この場合も、第２の積層絶縁体２６２は、内側コイル２９２を構成していると見ても良いし（図３０ではそのように図示している）、外側コイル２９４を構成していると見ても良いし、両コイル２９２、２９４で共有していると見ても良い。

この積層コイル２９０の、上記切欠き部２７２〜２７５にそれぞれ対応する部分２７２ａ〜２７５ａを、切削加工等によって切り欠いて除去して切欠き部２７２〜２７５を形成すると、内側コイル２９２が第１内側コイル２０６になり、外側コイル２９４が第１外側コイル２１８になる。

更にこの実施形態では、第１外側コイル２１８を三つに（３段に）分けるために、積層コイル２９０の外側コイル２９４に、切削加工等によって上記隙間２４４を設けた構造をしている。

上記積層コイル２９０の積層絶縁体２６１、２６２、２６３は、それぞれ、例えば、プリプレグシートを複数回巻いて積層することによって形成されている。図３１中のプリプレグシート３００が上記プリプレグシートである。プリプレグシートは、絶縁性および耐熱性を有する支持体に、絶縁性を有する樹脂を含浸し、半硬化状態に処理したシートのことである。

上記支持体は、例えば、ガラス繊維またはカーボン繊維等から成る。上記樹脂は、例えばエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等から成る。このようなプリプレグシートを用いて形成された積層絶縁体２６１〜２６３は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）と呼ぶこともできる。この積層絶縁体２６１〜２６３の厚さは、構造材として必要とする強度等に応じて選定すれば良い。

絶縁シート２６６、２６７は、それぞれ、例えば、ノーメックス（登録商標）、ルミラー（登録商標）またはカプトン（登録商標）から成るシート、またはその他の絶縁シートである。この絶縁シート２６６、２６７の厚さは、必要とする絶縁耐圧等に応じて選定すれば良い。例えば約７５μｍであるが、それより薄くしても良い。

導体シート２６８、２６９は、それぞれ、例えば銅シート、またはアルミニウムシートから成る。これらの厚さは、流す電流値等に応じて選定すれば良い。例えば、銅シートの場合の厚さは約０．４ｍｍ、アルミニウムシートの場合の厚さは約０．５ｍｍである。これらのＹ方向に相当する方向の幅は、必要とするコイルのＹ方向の寸法に応じて選定すれば良い。例えば２３０ｍｍである（後述する加工前の幅は、例えば約２３４ｍｍである）。積層絶縁体２６１〜２６３、絶縁シート２６６、２６７の幅もこれに合わせれば良い。

絶縁シート２６６と導体シート２６８の重ね合わせ方は、図２５とは反対に、第１内側コイル２０６の内側（図２５中の左側。即ち積層絶縁体２６１側）に導体シート２６８を配置し、その外側に絶縁シート２６６を重ねて配置しても良い。必要に応じて、導体シート２６８の両側に絶縁シート２６６を重ねて配置しても良い。第１外側コイル２１８の絶縁シート２６７および導体シート２６９についても同様である。

第１内側コイル２０６の導体シート２６８は、平面的に見れば、図２６に示すように、扇型に複数回巻いた構造をしており、その両端には端子３４０が接続されている。但し巻回数は図示のものに限られない。この導体シート２６８に電流Ｉ_M を流すことによって、上記主磁界を形成する磁力線２０４を発生させることができる。図２７にも同じ電流Ｉ_M および磁力線２０４を示している。

第１外側コイル２１８の導体シート２６９も、平面的に見れば図２６と同様の構造をしている。

第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４も、上記第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８と同様の構造をしている。但し、前述したように、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８とは、対称面２３４に関して面対称の形状をしている。

なお、外側の積層絶縁体２６３（図３８に示すコイルの場合は積層絶縁体２６２）の更に外周部に、必要に応じて、コイルの補強等を行う部材を更に設けても良い。

各コイルの渡り部の構造の例を、第１内側コイル２０６を例にして図２７を参照して、より詳しく説明する。

第１内側コイル２０６の各渡り部２１０は、それぞれ、本体部２０８のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部２８２と、両縦部２８２に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部２８４とを有している。即ち、横部２８４によって両縦部２８２間を接続している。従って、第１内側コイル２０６は、Ｙ方向に実質的に直交する横方向の導電経路２８６と、Ｙ方向に実質的に平行な縦方向の導電経路２８８とを有している。即ち、角部を除いて、この第１内側コイル２０６の導電経路の殆どは、両導電経路２８６および２８８で組み合わされて構成されている。そして、導電経路２８６および２８８における電流密度は、実質的にどこも同じになるようにしている。

他のコイル２１２、２１８、２２４の各渡り部２１６、２２２、２２８も、それぞれ、上記渡り部２１０と同様の構造をしている。従って、他のコイル２１２、２１８、２２４も、それぞれ、Ｙ方向に実質的に直交する横方向の導電経路と、Ｙ方向に実質的に平行な縦方向の導電経路とを有している。即ち、角部を除いて、これらのコイルの導電経路の殆どは、横方向の導電経路および縦方向の導電経路で組み合わされて構成されている。そして、横方向の導電経路および縦方向の導電経路における電流密度は、実質的にどこも同じになるようにしている。後述するコイル３２０においても同様である。

各コイルの渡り部を上記のような構造にするのが好ましく、そのようにすると、分析電磁石２００からの渡り部のビーム入出射方向への張り出し距離をより確実に小さくすることができる。この張り出し距離については後で詳しく説明する。

上記各コイル用の電源構成の一例を図２８に示す。この例では、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に直流の主電源２５０がそれぞれ接続されており、この各主電源２５０から第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に、互いに実質的に同じ大きさの電流Ｉ_M を流すことができる。なお、上記二つの主電源２５０は、必ずしも別個のものである必要はなく、それらを一つにまとめた主電源としても良い。

更にこの例では、各第１外側コイル２１８（２１８ａ〜２１８ｃ）および各第２外側コイル２２４（２２４ａ〜２２４ｃ）に直流の副電源２５２がそれぞれ接続されており、この各副電源２５２から各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に電流Ｉ_S を流すことができ、しかも各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流Ｉ_S をそれぞれ独立して制御することができる。なお、上記複数の副電源２５２は、必ずしも別個のものである必要はなく、それらを一つにまとめて、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流Ｉ_S をそれぞれ独立して制御することができる一つの副電源としても良い。

（３−４）分析電磁石２００の各コイルの製造方法等
次に、上記各コイルの製造方法の例を、上記第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を例にして説明する。

まず図２９に示す扇型筒状の積層コイル２９０を製造する。これは次のようにして行う。

まず図３１に示すように、図２９に示した積層コイル２９０の弧状部２９１とは反対に外側に張り出した弧状部２９７を有する型２９６を用いて、それを軸２９８を中心にして矢印２９９のように一定方向に回転させて、上述したようなプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図３０、図３２に示す積層絶縁体２６１を形成する。

次に図３２に示すように、型２９６を上記と同様に回転させて、上記絶縁シート２６６と導体シート２６８とを互いに重ね合わせて、それらを積層絶縁体２６１の外周面に複数回巻いて積層する。これによって、図３０に示す絶縁シート２６６と導体シート２６８との積層体を形成する。

次に図３１の場合と同様にして、上記絶縁シート２６６と導体シート２６８との積層体の外周面にプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図３０に示す積層絶縁体２６２を形成する。

次に図３２の場合と同様にして、上記絶縁シート２６７と導体シート２６９とを互いに重ね合わせて、それらを上記積層絶縁体２６２の外周面に複数回巻く。これによって、図３０に示す絶縁シート２６７と導体シート２６９との積層体を形成する。

次に図３１の場合と同様にして、上記絶縁シート２６７と導体シート２６９との積層体の外周面にプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図３０に示す積層絶縁体２６３を形成する。

上記工程の後に型２９６を外すと、図３３に示すように、上記内側コイル２９２および外側コイル２９４から成るけれども、弧状部２９１ａが上記弧状部２９１とは反対に外側に張り出している積層コイル２９０ａが得られる。

なお、導体シート２６８の巻き始めの部分および巻き終わりの部分にリード板をそれぞれ挟んでおくことにより、当該リード板を用いて、導体シート２６８を端子３４０（図２６参照）に接続することができる。導体シート２６９についても同様である。

また、上記のように巻く前に、導体シート２６８、２６９の表裏両側の主面２６８ａ、２６９ａに、金属粒子等の砥粒（ショット）を吹き付けて（即ちショットブラスト処理を施して）、表面を粗くしておくのが好ましい。そのようにすると、表面積を増大させて、絶縁シート２６６、２６７等との密着性を高めることができる。ショットブラスト処理は、導体シート２６８、２６９の少なくとも一方の主面に施しても効果はあるが、両主面に施すのが好ましい。絶縁シート２６６、２６７についても同様である。

同様に、絶縁シート２６６、２６７の表裏両側の主面２６６ａ、２６７ａにもショットブラスト処理を施して、表面を粗くしておくのが好ましい。そのようにすると、表面積を増大させて導体シート２６８、２６９等との密着性をより高めることができる。

次に上記積層コイル２９０ａの外周に熱収縮テープ（図示省略）を巻いた後に、図３３に示すように、弧状部２９１ａを矢印３０２で示すように加圧（プレス）して上記弧状部２９１を形成する成形を行ったものを、加熱硬化させる。これによって、図２６に示した積層コイル２９０の元になる積層コイル２９０ｂが得られる。上記熱収縮テープを巻くことによって、構造体としての強度が向上する。熱収縮テープの代わりに、前述したプリプレグシートと同様の構成のプリプレグテープを巻いても良い。

次に上記積層コイル２９０ｂに樹脂を真空含浸させた後に、加圧状態で加熱硬化させる。これは、簡単に言えば、樹脂モールドを行うことである。これによって、図２９に示した積層コイル２９０が得られる。この樹脂モールドを行うことによって、積層コイル２９０の各層間の密着強度を高めてコイルの強度を高めると共に、電気絶縁性能を高めることができる。

次に上記積層コイル２９０の軸方向（換言すれば高さ方向）の両端面に切削加工を施して平坦面にした後に、上記切欠き部に対応する部分２７２ａ〜２７５ａに切削加工を施して、上記切欠き部２７２〜２７５を形成する。

外側コイル２９４を複数の上記第１外側コイル２１８にする場合は、外側コイル２９４に対して、上記隙間２４４に相当する部分に溝加工を施して上記隙間２４４を形成する。

次に、上記のように切削加工、溝加工を施した積層コイル２９０ｃを、導体シート２６８、２６９の材料（前述したように銅またはアルミニウム）をエッチングするエッチング液中に浸してエッチング処理を施す。それによって、上記切削加工、溝加工時に加工面に生じた導体シート２６８、２６９のバリ等を除去して、導体シート２６８、２６９の層間のショート（レイアーショート）を防止すると共に、絶縁シート２６６、２６７の端面よりも導体シート２６８、２６９の端面を丸く窪ませて、導体シート２６８、２６９の層間絶縁の沿面距離を長くして絶縁性能を向上させることができる。

そして、上記のようにエッチング処理を施した積層コイル２９０ｄの全体に熱収縮テープを巻いて加熱硬化させる。これによって、図１９〜図２５等に示した第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を一体化している扇型筒状の積層コイルを得ることができる。上記熱収縮テープを巻くことによって、構造体としての強度が向上する。但し、コイルを次に述べるような強制冷却構造にする場合は、上記熱収縮テープを巻く前に、次のようにして冷却板３１２を取り付ければ良い。熱収縮テープの代わりに、前述したプリプレグシートと同様の構成のプリプレグテープを巻いても良い。

即ち図３４に示すように、冷媒通路３１４を有する冷却板３１２を、絶縁物３１６を介在させて、第１内側コイル２０６、第１外側コイル２１８の上下の端面３０６〜３０７および各隙間２４４にそれぞれ圧接させて取り付ける。冷却板３１２は、コイル２０６、２１８の本体部２０８、２２０のＹ方向の上下端面だけでなく、渡り部２１０、２２２のＹ方向の上下端面にも設けるのが好ましい。即ち、できるだけ広い領域に設けるのが好ましい。各冷媒通路３１４には、例えば冷却水が流される。この例では、絶縁物３１６を冷却板３１２に巻いているが、必ずしも巻かなくても良い。

上記冷却板３１２によって、各コイル２０６、２１８を、その端面から強制冷却することができる。このような冷却構造は、エンドクーリング方式と呼ばれることもある。

上記の場合、冷却板３１２と絶縁物３１６との間、および、絶縁物３１６と各コイル２０６、２１８の端面との間には、熱伝導性の良い熱拡散コンパウンド（例えばシリコーングリス）を介在（例えば塗布）させておくのが好ましい。そのようにすると、空気層を極力無くして、熱伝導性能ひいては冷却性能をより向上させることができる。

また、上記各隙間２４４を、コイル２１８の内側（図３４中の左側）に向かって狭くなった楔形にして、そこに取り付ける冷却板３１２も同様の楔形にして、当該冷却板３１２を圧入しても良い。そのようにすると、コイル２１８の端面と冷却板３１２の間に生じる隙間を小さくして密着性を向上させることができるので、冷却性能をより向上させることができる。

上記のように冷却板３１２を設けた場合は、図３４に示す状態のコイル全体に上記熱収縮テープまたはプリプレグテープを巻いて加熱硬化させれば良い。それによって、冷却板３１２の固定および密着をも行うことができる。

そして最後に、必要に応じて、冷却板３１２を設けている場合もいない場合も、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を含めたコイル全体を、樹脂でモールドしても良い。そのようにすると、コイルの耐湿性能、絶縁性能、機械的強度等をより向上させることができる。その場合、上記樹脂に５〜３０重量％のフィラー（充填剤）を混合しておくのが好ましい。そのようにすると、樹脂の耐クラック性能等を向上させることができる。

第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４も上記と同様にして、両コイル２１２、２２４を一体化したものとして製造することができる。また、後述する、即ち図３７〜図３９に示すコイル３２０、図４０に示す第１コイル３２６、第２コイル３２８、図４１に示す内側コイル３３０、第１外側コイル２１８、第２外側コイル２２４も、上記と同様にして製造することができる。内外のコイルは一体化して製造することができる。

上記コイル２０６、２１８、２１２、２２４を用いて、図１９、図２０等に示した分析電磁石２００を組み立てるのは、例えば次の手順で行えば良い。即ち、ヨーク２３０の上部ヨーク２３１を取り外しておいて、まずヨーク２３０内に第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４が一体化されたものを上から入れ、次に真空容器２３６を上から入れ、次に第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８が一体化されたものを上から入れ、最後に上部ヨーク２３１を取り付ける。

（３−５）分析電磁石２００の特長等
上記分析電磁石２００においては、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８は、上記のような扇型筒状の積層コイル２９０に本体部２０８、２２０および渡り部２１０、２２２を残して切欠き部２７２〜２７５を設けた構成をしているので、渡り部２１０、２２２は、本体部２０８、２２０の端部からＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっている。従って、本体部２０８、２２０のＹ方向における寸法を大きくする場合でも、それに対応させて渡り部２１０、２２２のＹ方向における寸法を大きくすれば済むので、ビーム入出射方向への渡り部２１０、２２２の張り出し距離は大きくならない。

上記のことを、第１内側コイル２０６を例に図２３を参照して説明すると、本体部２０８のＹ方向の寸法ａを大きくする場合、それに対応させて、渡り部２１０のＹ方向の寸法ｃを大きくすれば済む。具体的には、寸法ａとｃとを互いに実質的に等しくしている。従って、寸法ａを大きくする場合でも、イオンビーム５０の入出射方向への渡り部２１０の張り出し距離Ｌ₃ （図１９参照）は大きくならない。当該張り出し距離Ｌ₃ は、ヨーク２３０の端面と渡り部２１０の端面との間の距離Ｌ₅ と、渡り部２１０の厚さｂとで決まる。即ち、張り出し距離Ｌ₃ は次式で表すことができる。ちなみに、第１内側コイル２０６の上記構造説明からも分かるように、本体部２０８の厚さもｂである。

［数４］
Ｌ₃ ＝ｂ＋Ｌ₅

上記数４には、従来の分析電磁石４０の張り出し距離Ｌ₁ を表す上記数３と違って、Ｙ方向の寸法ａは含まれていない。この点が従来の分析電磁石４０と大きく異なる特長である。

しかも、上記距離Ｌ₅ も、従来の分析電磁石４０の距離Ｌ₂ に比べて小さくすることができる。これは、渡り部２１０は、従来のコイル１２のように曲げ加工によって渡り部１６を斜めに跳ね上げて形成したものではなく、前述したように扇型筒状の積層コイル２９０に切欠き部２７２〜２７５を設けて形成したものであり、渡り部２１０はＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっているからである。加えて、切削加工等によって、本体部２０８と渡り部２１０との境の角部２５４を、丸みの少ない直角に近い状態にすることができるからである。

上記のような理由から、ヨーク２３０からの渡り部２１０のビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ₃ を小さくすることができる。

第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４についても同様である。

例えば、Ｙ方向の寸法ａを同じ２５０ｍｍにした場合、従来の分析電磁石４０では張り出し距離Ｌ₁ は約３００ｍｍにもなるのに対して、上記分析電磁石２００では張り出し距離Ｌ₃ は約１１０ｍｍで済む。

上記と同様の理由によって、この分析電磁石２００のように内側コイル２０６、２１２と外側コイル２１８、２２４とを二重に設けている場合でも、外側のコイル２１８のヨーク２３０からのビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ₄ を小さくすることができる。従来の分析電磁石４０において、仮に内外二重にコイルを配置しようとすると、渡り部の張り出し距離は非常に大きくなる。

上記理由によって、分析電磁石２００の小型化が可能になり、ひいては分析電磁石２００の設置に必要な面積を小さくすることができる。分析電磁石２００の軽量化も可能になる。また、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の渡り部が発生する磁界がイオンビーム５０の形態を乱す可能性も小さくなる。

また、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の渡り部の張り出し距離を小さくすることができることに伴って、渡り部の長さも短くすることができるので、渡り部における無駄な消費電力を小さくすることができる。

しかも、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４は、前述したように、絶縁シート２６６、２６７を挟んで導体シート２６８、２６９を積層した構造をしているので、被覆導体を多数回巻いたマルチターンコイルに比べて、導体の占積率が高く、そのぶん電力損失が少ない。従って、消費電力を小さくすることができる。

例えば、各コイルのＹ方向の寸法ａを２５０ｍｍとした場合、従来の被覆導体のマルチターンコイルの導体の占積率は、中空でない（ホローコンダクターでない）場合でも約６０〜７０％であり、ホローコンダクターの場合は更に小さくなるのに対して、上記各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の導体の占積率は、約８４〜８５％にすることが可能である。

その結果、上記分析電磁石２００によれば、従来の分析電磁石４０に比べて少ない消費電力で所要強度の磁界を発生させることができる。消費電力を同程度にして、従来の分析電磁石４０に比べて強い磁界を発生させることもできる。後者のようにすれば、イオンビーム偏向の曲率半径Ｒを小さくして、分析電磁石２００をより小型化することができる。

例えば、各コイルのＹ方向の寸法ａを２５０ｍｍとし、従来の分析電磁石４０と同じように二つのコイル２０６、２１２で０．２テスラの磁界を発生させる場合（コイル２１８、２２４は使用しない）、従来の分析電磁石４０の消費電力は約６７ｋＷであるのに対して、上記分析電磁石２００の消費電力は約２４ｋＷで済む。

図１に示すイオン注入装置は、上記のような特長を有する分析電磁石２００を備えているので、分析電磁石２００の小型化に伴ってイオン注入装置全体の小型化が可能になり、ひいてはイオン注入装置の設置に必要な面積を小さくすることができる。イオン注入装置の軽量化も可能になる。また、分析電磁石２００における消費電力を小さくすることができることに伴って、イオン注入装置全体の消費電力を小さくすることができる。

更に、分析電磁石２００は、上記のような第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２を備えているので、上下一つのコイルの場合に比べて、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y が大きいイオンビーム５０に対応することが容易になる。

しかも、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４によって、主磁界の補正を行う副磁界を発生させることができる。この副磁界によって、主磁界を補正して、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性を高めることができる。各外側コイル２１８、２２４によって発生させる副磁界は、主磁界に比べて弱いもので良いので、制御も容易である。

上記のような主磁界および副磁界によって、ビーム経路２０２に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、この分析電磁石２００から出射する時のイオンビーム５０の形態の乱れ（曲がり、傾き等。以下同様）を小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y が大きい場合により顕著になる。

第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４がそれぞれ一つずつでも、上記主磁界を補正する効果を奏することはできるけれども、この例のように複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４を備えている方が好ましい。その場合はこれらの外側コイル２１８、２２４によって、ビーム経路２０２に発生させる磁界のＹ方向における磁束密度分布をよりきめ細かく補正することができるので、Ｙ方向においてより均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れをより小さく抑えることができる。

（３−６）分析電磁石２００の制御方法
上記分析電磁石２００の制御方法の例を説明すると、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が、入射時のイオンビーム５０の形態に近づくように、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流を制御すれば良い。

より具体的には、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の内で、Ｙ方向に実質的に平行な所定の中心軸（図３５、図３６に示す中心軸３１８）よりも曲率半径Ｒの内側に曲がり過ぎている部分に対応する第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４に流す電流を減らすことと、当該内側への曲がりが不足している部分に対応する第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４に流す電流を増やすことの少なくとも一方を行って、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態を上記中心軸に平行なものに近づける。これによって、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態を、傾きがなくかつ真っ直ぐなものにして、入射時の形態に近づけることができる。

分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態の例を図３５、図３６にそれぞれ示す。両図において、Ｘ方向に実質的に平行な所定の中心軸を３１８、前記対称面を２３４、イオンビーム５０の中心軌道を５４、その曲率半径をＲとしている。

図３５に示す形態の場合は、イオンビーム５０の進行方向Ｚに見てイオンビーム５０の形態に乱れはないので、各第１外側コイル２１８ａ〜２１８ｃおよび各第２外側コイル２２４ａ〜２２４ｃに流している電流の値を維持すれば良い。

図３６に示す形態の場合は、イオンビーム５０がその進行方向Ｚに見てく字状に近い円弧状に歪んで（曲がって）いるので、即ちＹ方向の上側ほど曲率半径Ｒの内側に曲がり過ぎており、かつ下側ほど内側に曲がり過ぎているので、第１外側コイル２１８ａに流す電流を大きく減らし、第１外側コイル２１８ｂに流す電流を少し減らし、第１外側コイル２１８ｃおよび第２外側コイル２２４ｃに流す電流は現状維持し、第２外側コイル２２４ｂに流す電流を少し減らし、第２外側コイル２２４ａに流す電流を大きく減らす。これによって、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の中心軌道５４の位置を維持しつつ、その形態を中心軸３１８に平行なものに近づけることができる。即ち、図３５に示す形態に近づけることができる。

分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が図３６以外のものに乱れている場合も、上記と同様の考え方で補正して、図３５に示す形態に近づけることができる。

分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が乱れた場合の主な問題は次のとおりであるが、上記制御方法によればこのような問題の発生を防止することができる。

分析電磁石２００の下流側には、通常、図１に示した分析スリット７０が設けられている。この分析スリット７０のスリット７２は直線であるので、イオンビーム５０の形態が乱れると、分析スリット７０によってカットされる部分が生じ、分析スリット７０を通過する所望イオン種のイオンビーム５０の量が減る。カットされる部分が生じるから、イオンビーム５０の均一性も悪くなる。カットされるのを避けるためにスリット７２のＸ方向の幅を広げると、分解能が低下する。

分析スリット７０における上記のような問題以外にも、形態の乱れたイオンビーム５０を用いて基板６０にイオン注入を行うと、注入の均一性が悪くなるという問題が生じる。

（３−７）分析電磁石２００の他の例
次に、分析電磁石２００の他の例を説明する。図１９〜図２２等に示した先の例と同一または相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略し、以下においては当該例との相違点を主体に説明する。

図３９に示す分析電磁石２００は、図３７も参照して、コイルとして、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部３２２および両本体部３２２のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している二組の渡り部３２４、３２５を有していて、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイル３２０を備えている。図３７中の上側の二つの渡り部３２４が一組の渡り部、下側の二つの渡り部３２５がもう一組の渡り部である。

このコイル３２０は、その断面構造を図３８に示すように、上記第１内側コイル２０６（図２５参照）や、積層コイル２９０の内側コイル２９２（図３０参照）と同じ断面構造をしている。即ちこのコイル３２０は、上記内側コイル２９２と同じ構造をした扇型筒状の積層コイルに、本体部３２２および渡り部３２４、３２５を残して、切欠き部２７６〜２８１を設けた構成をしている。このコイル３２０も、前記と同様の製造方法によって作ることができる。

このコイル３２０は、上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２（図２３参照）を上下で一体化して一つのコイルにしたようなものである。

切欠き部２７６、２７７は、上記切欠き部２７２、２７３と同様の形状をしている。切欠き部２７８、２７９は、切欠き部２７６、２７７と対称面（図３９参照）に関して面対称の形状をしている。切欠き部２８０、２８１は、より具体的には貫通孔であり、それぞれ上記入口２３８、出口２４０を形成している。ここをイオンビーム５０が通過することができる。より具体的には、上記真空容器２３６を通してその中をイオンビーム５０が通過することができる。

このコイル３２０に上記真空容器２３６を通すには、例えば、真空容器２３６を、切欠き部２８０、２８１を通してＺ方向に挿入すれば良い。その場合、真空容器２３６にフランジ等がついていて邪魔になるのであれば、一旦それを外せば良い。分析電磁石２００を組み立てる場合も同様の方法で行えば良い。

各渡り部３２４は、上記第１内側コイル２０６の渡り部２１０と同様の構造をしている。各渡り部３２５は、各渡り部３２４と対称面２３４に関して面対称の形状をしている。

本体部３２２のＹ方向の寸法ａ₁ は、渡り部３２４のＹ方向の寸法ｃ₁ と渡り部３２５のＹ方向の寸法ｃ₁ とを合計したもの（即ち２ｃ₁ ）に実質的に等しくしている。

この例の分析電磁石２００も、そのコイル３２０が上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２を一体化したような構造をしているので、前記と同様の理由によって、コイル３２０の渡り部３２４、３２５のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。

図４０に示す分析電磁石２００は、コイルとして、互いに協働してイオンビーム５０をＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイル３２６および第２コイル３２８を備えている。両コイル３２６、３２８は、それぞれ、上記第１内側コイル２０６、第２内側コイル２１２（図２３参照）と同様の構造をしている。従ってこの第１コイル３２６および第２コイル３２８も、それぞれ、前記と同様の製造方法によって作ることができる。

この例の分析電磁石２００も、その第１コイル３２６および第２コイル３２８が上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２と同様の構造をしているので、前記と同様の理由によって、コイルの渡り部のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。

また、上記のような第１コイル３２６および第２コイル３２８を備えているので、Ｙ方向の寸法Ｗ_Y が大きいイオンビーム５０に対応することが容易になる。

図４１に示す分析電磁石２００は、コイルとして、上記コイル３２０と同様の構造をしていてイオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイル３３０と、内側コイル３３０の外側にあって主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる前述したような第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４とを備えている。即ち、図２０等に示す第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に代えて内側コイル３３０を備えている。従ってこの内側コイル３３０、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４も、前記と同様の製造方法によって作ることができる。

これらのコイルを製造する場合の特有の事項を説明すると、軸方向の寸法（高さ）を所要のものにした上記積層コイル２９０（図２９参照）を用いて、その内側コイル２９２および外側コイル２９４に図３７の切欠き部２７６〜２８１と同様の切欠き部を切削加工等によって設け、かつ外側コイル２９４に、図２２に示す隙間２４８と同様の隙間を切削加工等によって設けて第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を形成すれば良い。第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４をそれぞれ複数に分けるのは、図２２の場合と同様である。

第１外側コイル２１８は、図４１に示す例では二つであるが、それに限られるものではなく、１以上で任意である。第２外側コイル２２４も同様である。

この例の分析電磁石２００も、上記のような内側コイル３３０、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を備えているので、前記と同様の理由によって、コイルの渡り部のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。

また、内側コイル３３０に加えて、上記のような第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を備えているので、イオンビーム５０のビーム経路２０２に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れを小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法Ｗ_Y が大きい場合により顕著になる。

更に、複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４を備えていることによって、前述したように、これらの外側コイル２１８、２２４によって、ビーム経路２０２に発生させる磁界のＹ方向における磁束密度分布をよりきめ細かく補正することができるので、Ｙ方向においてより均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れをより小さく抑えることができる。

図１に示すイオン注入装置が上記各例の分析電磁石２００を備えている場合も、分析電磁石２００の小型化に伴ってイオン注入装置全体の小型化が可能になり、ひいてはイオン注入装置の設置に必要な面積を小さくすることができる。イオン注入装置の軽量化も可能になる。また、分析電磁石２００における消費電力を小さくすることができることに伴って、イオン注入装置全体の消費電力を小さくすることができる。

（４）加減速器４００について
図１中に示した加減速器４００は、分析スリット７０を通過したイオンビーム５０を静電界によってＸ方向に偏向させ、かつ静電界によって当該イオンビーム５０の加速または減速を行うものである。この加減速器４００は、後述するエネルギーコンタミネーションの抑制効果をより効果的に発揮させるためには、できるだけ下流側に設けるのが好ましい。図１に示す例では、分析スリット７０と上記注入位置、換言すれば分析スリット７０と基板駆動装置５００との間に設けている。

このような加減速器４００を備えていると、当該加減速器４００において、イオンビーム５０の加減速だけでなく、イオンビーム５０をＸ方向に偏向させることができるので、所望エネルギーのイオンビーム５０を選別して導出することができ、エネルギーコンタミネーション（不所望エネルギーイオンの混入）を抑制することができる。しかもこれらの作用を一つの加減速器４００において実現することができるので、エネルギー分離器を別に設ける場合に比べて、イオンビーム５０の輸送経路を短くすることができ、それによって、イオンビーム５０の輸送効率を向上させることができる。特に、イオンビーム５０が低エネルギーかつ大電流の場合は、イオンビーム５０は輸送中に空間電荷効果によって発散しやすいので、輸送距離を短くする効果は顕著になる。

加減速器４００のより具体例を図４２に示す。この加減速器４００は、イオンビーム５０の進行方向に、上流側から第１の電極４０２、第２の電極４０４および第３の電極４０６の順で配列された第１ないし第３の電極４０２、４０４、４０６を有している。電極４０２および４０６は、この例では、Ｙ方向に長く伸びていてイオンビーム５０を通す開口４１２、４１６をそれぞれ有している。電極４０２はこの例では一つの電極であるが、イオンビーム５０の経路をＸ方向において挟む二つの互いに同電位の電極で構成しても良い。電極４０６についても同様である。電極４０４は、Ｙ方向に長く伸びていて、イオンビーム５０を通す隙間４１４を有している。

第１の電極２１には、接地電位を基準にして電位Ｖ１が与えられる。この電位Ｖ１は、通常は正（加速モード時）または負（減速モード時）の高電位である。

なお、各電極４０２、４０４、４０６あるいは後述する各電極体４０４ａ、４０４ｂに電位を与える場合、それらの電位が０Ｖ以外の場合は、各電極等に対応する電圧印加手段（例えば直流電源や、直流電源からの電圧を分圧する分圧抵抗器等。図示省略。以下同じ）から当該電位がそれぞれ与えられる。電位が０Ｖの場合は、その電極は接地される。

第２の電極４０４は、通常は第１の電極４０２と第３の電極４０６との中間の電位にされる。この第２の電極４０４は、周知の静電加速管では一つの電極であるが、この例では、イオンビーム５０の経路をＸ方向において挟んで相対向する二つの電極体４０４ａ、４０４ｂに分けて構成されている。しかも両電極体４０４ａ、４０４ｂには、互いに異なる電位Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ（Ｖ２ａ≠Ｖ２ｂ）がそれぞれ与えられ、それによってイオンビーム５０をＸ方向に偏向させるようにしている。より具体的には、イオンビーム５０を偏向させる方向側の電極体４０４ｂに、相手側の電極体４０４ａの電位Ｖ２ａよりも低い電位Ｖ２ｂを与えるようにしている。即ちＶ２ｂ＜Ｖ２ａとされる。このような電位を与える手段は前述のとおりである。

電極４０４を構成する二つの電極体４０４ａ、４０４ｂ間には、イオンビーム５０を通す上記隙間４１４が設けられている。この隙間４１４は、この例のように、イオンビーム５０の偏向方向に曲げておくのが好ましい。より具体的には、偏向後の特定エネルギーを有する、具体的には所望エネルギーを有するイオン４１８の軌道に沿って曲げておくのが好ましい。そのようにすれば、所望エネルギーを有するイオン４１８から成るイオンビーム５０を効率良く導出することができる。

第３の電極４０６には、通常は０Ｖの電位Ｖ３が与えられる。即ち接地される。

第２の電極４０４より下流側の電極４０６は、この例のように、電極４０４での偏向後であって特定エネルギー、具体的には所望エネルギーを有するイオン４１８の軌道に沿って配置しておくのが好ましい。そのようにすれば、所望のエネルギーを有するイオン４１８を効率良く導出することができると共に、それ以外のエネルギーを有するイオン４２０、４２２や中性粒子４２４を当該電極４０６で効率良く阻止することができるので、エネルギーコンタミネーションをより効果的に抑制することができる。

第２の電極４０４を構成する電極体４０４ａ、４０４ｂとに印加する電位Ｖ２ａとＶ２ｂとの差をどの程度に設定するかは、所望の（目的の）エネルギーを有するイオン４１８が、当該加減速器４００の中心軌道、具体的には偏向機能を有する第２の電極４０４以降の電極４０４、４０６の（より具体的にはそられの隙間４１４や開口４１６の）中心軌道を通るように設定すれば良い。

上記各電極および各電極体に与える各電位の例を表１にまとめて示す。例１および例２は、加減速器４００でイオンビーム５０を加速する加速モード時のものであり、例３はイオンビーム５０を減速する減速モード時のものである。例１の場合は３０ｋｅＶの加速エネルギーを、例２の場合は１３０ｋｅＶの加速エネルギーを、それぞれ実現することができる。例３の場合は、８ｋｅＶの減速エネルギーを実現することができる。いずれの場合も、第２の電極４０４を構成する一方の電極体４０４ｂの電位Ｖ２ｂを、相手側の電極体４０４ａの電位Ｖ２ａよりも低く設定している。

上記加減速器４００によれば、二つの電極体４０４ａ、４０４ｂに分けて構成され、それらに異なる電位Ｖ２ａ、Ｖ２ｂが与えられる第２の電極４０４の部分でイオンビーム５０を偏向させることができる。このときの偏向量は、偏向時のイオンビーム５０のエネルギーに依存するので、所望のエネルギーを有するイオン４１８とそうでないエネルギーを有するイオン４２０、４２２とを分離することができる。イオン４２０は所望エネルギーよりも低エネルギーのイオンであり、イオン４１８よりも偏向量は大きい。イオン４２２は所望エネルギーよりも高エネルギーのイオンであり、イオン４１８よりも偏向量は小さい。中性粒子４２４は偏向されずに直進するので、これも分離することができる。即ち、この加減速器４００は、エネルギー分離作用を奏するので、所望エネルギーのイオン４１８から成るイオンビーム５０を選別して導出することができ、エネルギーコンタミネーションを抑制することができる。所望エネルギーのイオン４１８以外のイオン４２０、４２２や中性粒子４２４は、この例では、第２の電極４０４よりも下流側にある電極４０６に衝突することによって阻止され除去される。

しかも、この加減速器４００は、上記のようなエネルギー分離作用と共に、イオンビーム５０を加速または減速する本来の作用をも奏し、これらの作用を一つの加減速器４００において実現することができるので、エネルギー分離器を別に設けなくて済む。従って、エネルギー分離器を別に設ける場合に比べて、イオンビーム５０の輸送距離を短くすることができ、それによってイオンビーム５０の輸送効率を向上させることができる。

また、イオンビーム５０を電極４０２と４０４との間と、電極４０４と４０６との間の２段階に分けて加速することができる。表１中の例２はその一例を示す。そして、後段での加速前に（即ちエネルギーの低いときに）イオンビーム５０を電極４０４の部分で偏向させることができるので、全部加速した後に偏向させる場合に比べて、イオンビーム５０の偏向が容易になる。より具体的には、電極４０４を構成する二つの電極体４０４ａ、４０４ｂに与える電位Ｖ２ａとＶ２ｂとの差が小さくて済むので、当該電極４０４周りの電気絶縁が容易になる等の利点がある。

また、電極４０４の下流側の電極４０６によって、所望エネルギーのイオン４１８以外のイオンや中性粒子を阻止して除去することができるので、エネルギーコンタミネーションをより効果的に抑制することができる。特に、減速モード時には（表１中の例３参照）、電極４０２と４０４間におけるイオンビーム５０の減速時に荷電変換によって中性粒子４２４が発生しやすいことが経験的に分かっているけれども、中性粒子４２４が多く発生してもこれは直進して電極４０６に衝突して阻止されるので、加減速器４００内において中性粒子４２４を効果的に除去することができる。

通常、加速モード時において、所望エネルギー以外のエネルギーのイオンが電極に衝突した箇所から電子が高電位側へ放出かつ加速され、そのような加速電子が衝突した電極の部分から、加速電子のエネルギーに相当する高エネルギーのＸ線が発生する。周知の静電加速管は偏向機能を有していないので、上記加速電子は曲げられずに高電位電極（電極４０２に相当する電極）にまで到達することができ、当該高電位電極の電位に相当する大きなエネルギーで加速されて高電位電極に衝突し、そこから大きなエネルギーのＸ線が発生する。

これに対して、この加減速器４００のように第２の電極４０４を二つの電極体４０４ａ、４０４ｂに分けて構成してそれらに別々の電位を与えて偏向機能を持たせておくと、不所望エネルギーのイオンが衝突した箇所から発生した電子は電極４０４において曲げられて高電位の電極４０２にまで到達することができなくなる。具体的には、上記電子は、電極４０４を構成する二つの電極体４０４ａ、４０４ｂの内の高電位側の電極体４０４ａ側に曲げられて当該電極体４０４ａに衝突する。このときの電子の加速エネルギーは、当該電極体４０４ａの電位に相当するエネルギーであり、高電位の電極４０２に衝突する場合に比べて小さい。例えば、表１中の例１の場合であれば、衝突電子のエネルギーはほぼ０ｅＶであり、Ｘ線は殆ど発生しない。例２の場合は約１００ｋｅＶであり、電極４０２に衝突する場合の約１３０ｋｅＶよりかは小さい。従っていずれの場合にも、周知の静電加速管よりも、それから発生するＸ線のエネルギーを低くすることができる。

なお、必要に応じて、電極４０２の上流側や電極４０６の下流側に更に他の電極を設けても良い。例えば、電極４０２の上流側に、イオンビーム５０の加速または減速用の高電位の電極を設けても良い。電極４０６の下流側に、下流側からの逆流電子抑制用の負電位の電極を設けても良い。

この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。 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。 イオンビームと基板のＹ方向における寸法の関係の例を示す図である。 図１に示したイオン源の構成の一例を示す概略断面図である。 図４に示すイオン源におけるフィラメントおよび電子ビーム源の配置並びに電子ビームの走査軌跡等の一例を示す概略平面図である。 フィラメントの配置の他の例を示す概略平面図である。 図１に示した電子ビーム源および電子ビーム用電源の構成の一例を示す図である。 図１に示したイオン源からイオンビームモニタまでを簡略化して示す図である。 図１に示したイオンビームモニタの構成の一例を示す概略正面図である。 図１に示した制御装置を用いてＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御内容のより具体例を示すフローチャートである。 図１０に示したフィラメント電流制御サブルーチンの一例を示すフローチャートである。 図１０に示した電子ビーム走査速度制御サブルーチンの一例を示すフローチャートである。 図１０に示したフィラメント条件の粗設定を行った後のイオンビーム電流密度分布の一例を示す概略図である。 図１０に示したフィラメント電流制御および電子ビーム走査速度制御を経ることによって、Ｙ方向におけるイオンビーム電流密度分布が均一化される過程を示す概略図である。 図１に示した電子ビーム源および電子ビーム用電源の構成の他の例を示す図である。 図１に示した制御装置を用いてＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する制御内容の他の具体例を示すフローチャートである。 図１６に示した電子ビーム量制御サブルーチンの一例を示すフローチャートである。 イオン源のプラズマ生成容器に対する電子ビーム源の配置の仕方の他の例を示す概略断面図である。 図１に示した分析電磁石の一例を示す平面図である。 図１９の線Ａ−Ａに沿う断面図である。 図１９に示した分析電磁石を、真空容器を除いて示す斜視図である。 図１９に示した分析電磁石のコイルを示す斜視図である。 図２２に示した第１内側コイルおよび第２内側コイルを示す斜視図である。 図２２中の線Ｄ−Ｄに沿って、第１内側コイルおよび第１外側コイルの断面を拡大して示す概略図である。 図２４に示した第１内側コイルおよび一番上の第１外側コイルを分解して示す断面図である。 図２５に示した導体シートが巻かれている様子を示す概略平面図である。 図２３に示した第１内側コイルを示す斜視図である。 図１９に示した分析電磁石のコイル用の電源構成の一例を示す図である。 図２２に示した第１内側コイルおよび第１外側コイル等の元になる積層コイルの一例を示す斜視図である。 図２９中の線Ｆ−Ｆに沿って、内側コイルおよび外側コイルの断面を分解して示す図である。 型を用いてプリプレグシートを巻く様子の一例を示す平面図である。 型を用いて絶縁シートおよび導体シートを巻く様子の一例を示す平面図である。 型を用いて巻いた後の積層コイルの一例を示す平面図である。 第１内側コイルおよび第１外側コイルに冷却板を取り付けた一例を示す断面図である。 分析電磁石から出射した直後の、正常な形態を有するイオンビームの例を示す図である。 分析電磁石から出射した直後の、歪んだ形態を有するイオンビームの一例を示す図である。 分析電磁石のコイルの他の例を示す斜視図である。 図３７中の線Ｊ−Ｊに沿って、コイルの断面を分解して示す図である。 分析電磁石の他の例を示す断面図であり、図２０に相当している。 分析電磁石の更に他の例を示す断面図であり、図２０に相当している。 分析電磁石の更に他の例を示す断面図であり、図２０に相当している。 図１に示した加減速器の一例を示す横断面図である。 従来の分析電磁石の一例を示す斜視図であり、コイルの形状を分かりやすくするためにヨークは二点鎖線で示している。

符号の説明

５０ イオンビーム
６０ 基板
７０ 分析スリット
８０ イオンビームモニタ
９０ 制御装置
１００ イオン源
１１４ 電子ビーム用電源
１１８ プラズマ生成容器
１２２ フィラメント
１２４ プラズマ
１３４ フィラメント電源
Ｇｎ 電子ビーム源
１３８ 電子ビーム
１５６、１６２ 増幅器
２００ 分析電磁石
２０６ 第１内側コイル
２０８ 本体部
２１０ 渡り部
２１２ 第２内側コイル
２１４ 本体部
２１６ 渡り部
２１８ 第１外側コイル
２２０ 本体部
２２２ 渡り部
２２４ 第２外側コイル
２２６ 本体部
２２８ 渡り部
２３０ ヨーク
２３２ 磁極
２６１〜２６３ 積層絶縁体
２６６、２６７ 絶縁シート
２６８、２６９ 導体シート
２７２〜２８１ 切欠き部
２８２ 縦部
２８４ 横部
２９０ 積層コイル
３２０ コイル
３２６ 第１コイル
３２８ 第２コイル
３３０ 内側コイル
４００ 加減速器
４０２ 第１の電極
４０４ 第２の電極
４０６ 第３の電極
５００ 基板駆動装置

Claims (12)

1. イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ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Ｘ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームを輸送してそれを基板に照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、
   ガスが導入されるプラズマ生成容器内にアーク放電発生用の１以上のフィラメントを有していて、Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、
   前記イオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置と、
   電子ビームを発生させてそれを前記イオン源のプラズマ生成容器内へ放出して当該電子ビームによって前記ガスを電離させてプラズマを生成するものであって、当該電子ビームを前記プラズマ生成容器内においてＹ方向に走査する１以上の電子ビーム源と、
   前記各電子ビーム源に、前記電子ビームの発生量を制御する引出し電圧および前記走査用の走査電圧をそれぞれ供給する１以上の電子ビーム用電源と、
   前記注入位置またはその近傍において、Ｙ方向における複数のモニタ点において前記イオンビームのＹ方向のイオンビーム電流密度分布を測定するイオンビームモニタと、
   前記イオンビームモニタからの測定データに基づいて前記電子ビーム用電源を制御することによって、前記各電子ビーム源から発生させる電子ビームの量を実質的に一定に保ちつつ、前記イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの走査速度を相対的に大きくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの走査速度を相対的に小さくすることの少なくとも一方を行って、前記イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している制御装置とを備えているイオン注入装置。
2. （ａ）前記電子ビーム源および前記電子ビーム用電源の数は共に一つであり、
   （ｂ）前記制御装置は、
   前記電子ビーム用電源から前記電子ビーム源に供給する前記走査電圧の元になる走査信号を前記電子ビーム用電源に供給する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、
   前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、
   前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、
   前記決定したモニタ点に対応する走査電圧を決定する機能と、
   前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して増大させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して減少させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記走査信号の波形を整形する機能と、
   前記整形後の走査信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しており、
   （ｃ）前記電子ビーム用電源は、前記制御装置から供給される走査信号を増幅して前記走査電圧を作る増幅器を有している、請求項１記載のイオン注入装置。
3. （ａ）前記電子ビーム源および前記電子ビーム用電源の数は共に複数であり、
   （ｂ）前記制御装置は、
   前記各電子ビーム用電源から前記各電子ビーム源に供給する前記走査電圧の元になる走査信号を前記各電子ビーム用電源に供給する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、
   前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、
   前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、
   前記決定したモニタ点に対応する前記電子ビーム源およびその走査電圧を決定する機能と、
   前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して増大させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記電子ビームの走査速度を前記誤差の大きさに比例して減少させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記走査信号の波形を整形する機能と、
   前記整形後の走査信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しており、
   （ｃ）前記各電子ビーム用電源は、前記制御装置から供給される走査信号を増幅して前記走査電圧を作る増幅器を有している、請求項１記載のイオン注入装置。
4. イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ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Ｘ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームを輸送してそれを基板に照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、
   ガスが導入されるプラズマ生成容器内にアーク放電発生用の１以上のフィラメントを有していて、Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、
   前記イオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置と、
   電子ビームを発生させてそれを前記イオン源のプラズマ生成容器内へ放出して当該電子ビームによって前記ガスを電離させてプラズマを生成するものであって、当該電子ビームを前記プラズマ生成容器内においてＹ方向に走査する１以上の電子ビーム源と、
   前記各電子ビーム源に、前記電子ビームの発生量を制御する引出し電圧および前記走査用の走査電圧をそれぞれ供給する１以上の電子ビーム用電源と、
   前記注入位置またはその近傍において、Ｙ方向における複数のモニタ点において前記イオンビームのＹ方向のイオンビーム電流密度分布を測定するイオンビームモニタと、
   前記イオンビームモニタからの測定データに基づいて前記電子ビーム用電源を制御することによって、前記各電子ビーム源から発生させる電子ビームの走査速度を実質的に一定に保ちつつ、前記イオンビームモニタで測定したイオンビーム電流密度が相対的に大きいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの発生量を相対的に少なくすることと、測定したイオンビーム電流密度が相対的に小さいモニタ点に対応するイオン源内位置での前記電子ビームの発生量を相対的に多くすることの少なくとも一方を行って、前記イオンビームモニタで測定されるＹ方向のイオンビーム電流密度分布を均一化する機能を有している制御装置とを備えているイオン注入装置。
5. （ａ）前記電子ビーム源および前記電子ビーム用電源の数は共に一つであり、
   （ｂ）前記制御装置は、
   前記電子ビーム用電源から前記電子ビーム源に供給する前記引出し電圧の元になる引出し信号を前記電子ビーム用電源に供給する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、
   前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、
   前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、
   前記決定したモニタ点に対応する走査電圧を決定する機能と、
   前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して減少させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して増大させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記引出し信号の波形を整形する機能と、
   前記整形後の引出し信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しており、
   （ｃ）前記電子ビーム用電源は、前記制御装置から供給される引出し信号を増幅して前記引出し電圧を作る増幅器を有している、請求項４記載のイオン注入装置。
6. （ａ）前記電子ビーム源および前記電子ビーム用電源の数は共に複数であり、
   （ｂ）前記制御装置は、
   前記各電子ビーム用電源から前記各電子ビーム源に供給する前記引出し電圧の元になる引出し信号を前記各電子ビーム用電源に供給する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度の平均値を算出する機能と、
   前記算出した平均値が所定の設定イオンビーム電流密度に実質的に等しくなるように、前記イオン源の各フィラメントに流すフィラメント電流を一律に制御する機能と、
   前記イオンビームモニタで測定したＹ方向分布のイオンビーム電流密度と前記設定イオンビーム電流密度との差であるＹ方向分布の誤差を算出する機能と、
   前記算出した誤差が所定の許容誤差より大きいモニタ点およびそのモニタ点での誤差の正負を決定する機能と、
   前記決定したモニタ点に対応する前記電子ビーム源およびその走査電圧を決定する機能と、
   前記決定した誤差の正負に基づいて、前記測定したイオンビーム電流密度の方が大きいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して減少させ、かつ、前記測定したイオンビーム電流密度の方が小さいモニタ点に対応する走査電圧時の前記引出し電圧を前記誤差の大きさに比例して増大させて、イオンビームが入射する実質的に全てのモニタ点で前記誤差が前記許容誤差以下になるように、前記引出し信号の波形を整形する機能と、
   前記整形後の引出し信号のデータおよび前記フィラメント電流のデータを保存する機能とを有しており、
   （ｃ）前記各電子ビーム用電源は、前記制御装置から供給される引出し信号を増幅して前記引出し電圧を作る増幅器を有している、請求項４記載のイオン注入装置。
7. 前記イオン源と前記注入位置との間に設けられていて、前記イオン源からのイオンビームをＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石であって、
   前記イオンビームの通り道であるビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している少なくとも一組の渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイルと、
   前記コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
   かつ前記コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている分析電磁石を更に備えている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオン注入装置。
8. 前記イオン源と前記注入位置との間に設けられていて、前記イオン源からのイオンビームをＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石であって、
   前記イオンビームの通り道であるビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイルと、
   前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第２コイルと、
   前記第１コイルおよび第２コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
   かつ前記第１コイルおよび第２コイルは、それぞれ、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている分析電磁石を更に備えている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオン注入装置。
9. 前記イオン源と前記注入位置との間に設けられていて、前記イオン源からのイオンビームをＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石であって、
   前記イオンビームの通り道であるビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイルと、
   前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
   前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
   前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
   かつ前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている分析電磁石を更に備えている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオン注入装置。
10. 前記イオン源と前記注入位置との間に設けられていて、前記イオン源からのイオンビームをＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石であって、
    前記イオンビームの通り道であるビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第１内側コイルと、
    前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１内側コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第２内側コイルと、
    前記第１内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
    前記第２内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
    前記第１内側コイル、第２内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
    かつ前記第１内側コイルおよび第１外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
    前記第２内側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている分析電磁石を更に備えている請求項１ないし６のいずれかに記載のイオン注入装置。
11. 前記分析電磁石は、前記ビーム経路を挟んでＹ方向において相対向するように、前記ヨークから内側に突出している一組の磁極を更に備えている請求項７ないし１０のいずれかに記載のイオン注入装置。
12. 前記分析電磁石と前記注入位置との間に設けられていて、静電界によって、前記イオンビームをＸ方向に曲げると共に加速または減速を行う加減速器であって、
    前記イオンビームの進行方向に、上流側から第１の電極、第２の電極および第３の電極の順で配列された第１ないし第３の電極を有していて、第１の電極と第２の電極との間および第２の電極と第３の電極との間で前記イオンビームを２段階に分けて加速または減速するものであり、
    しかも第２の電極を、前記イオンビームの経路を挟んでＸ方向において相対向していて互いに異なる電位が与えられて前記イオンビームをＸ方向に偏向させる二つの電極体に分けて構成すると共に、第３の電極を、前記偏向後の特定エネルギーを有するイオンビームの軌道に沿って配置している加減速器を更に備えている請求項７ないし１１のいずれかに記載のイオン注入装置。

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