JP6098846B2 - 真空チャンバ及び質量分析電磁石 - Google Patents

Description

本発明は、リボンビームの輸送に使用される真空チャンバと同チャンバを備えた質量分析電磁石に関する。

イオンビームや電子ビームはイオン注入装置や電子線照射装置等の様々な産業機器で利用されている。各装置で使用されるビーム形状には様々なものがあり、装置構成や処理対象となる基板の種類によって、スポットビームやリボンビーム、面ビームといった様々なものが使用されている。このような電荷を有するビームを取扱う装置は、荷電粒子ビーム装置と呼ばれている。

上述した荷電粒子ビーム装置の１つであるイオン注入装置の具体例を挙げると、特許文献１に記載されるリボンビームを用いたイオン注入装置がある。リボンビームとは、装置内部を輸送される荷電粒子ビームの進行方向と垂直な平面で荷電粒子ビームを切断した時の切断面が、略長方形状となるビームである。

多くの荷電粒子ビーム装置は真空内でビームを輸送する為の真空チャンバを備えている。特許文献１の例で言えば、真空チャンバはイオンビームが生成されるイオン源から基板が配置される処理室までのイオンビームの輸送経路を覆うようにして設けられている。

リボンビームの進行方向に垂直な平面で真空チャンバを切断したときの様子が、特許文献１の図１１や図１３に描かれている。
これらの図からわかるように、特許文献１の真空チャンバは、内部にリボンビームが通過する空間が形成された矩形状の容器である。このような形状の真空チャンバが、特許文献１のイオン注入装置に限らず、リボンビームを用いる他の荷電粒子ビーム装置でも使用されている。

特開２００５‐３２７７１３

荷電粒子ビームは正または負の電荷を有するビームである。このようなビームでは、ビーム自身の持つ電荷によってビーム内部に電位（ビームポテンシャル）が形成される。多くの場合、真空チャンバは電気的に接地されているので、真空チャンバとビームとの間には電位差が生じて、電界が発生する。この電界の作用を受けて荷電粒子ビームは輸送中に発散するが、リボンビームの場合、ビームポテンシャルがリボンビームの長さ方向で異なる傾向にあるため、同方向での電界が不均一となり、リボンビームの各部で発散の程度が異なってしまう。

リボンビームの発散が場所によって不均一となる理由について、図１０を用いて詳述する。図１０には、ビームポテンシャルによって真空チャンバ内に形成される電界の等電位線が破線で描かれている。この図に描かれる真空チャンバＣは、特許文献１の図１１や図１３に描かれる真空チャンバと同形状のものである。図１０では真空チャンバＣの下側領域は図示される上側領域を真空チャンバＣの中央で折り返したものとほぼ同一であるため、省略されている。

この真空チャンバＣは電気的に接地されており、その内部を正の電荷を有するリボンビームＢが通過している。リボンビームＢの長さ方向（図の上下方向）では、リボンビームＢの中心が通過する真空チャンバＣの中央領域（おおよそＣＲで囲まれる領域）ほど電位が高く、リボンビームＢの端部が通過する真空チャンバＣの端部領域（おおよそＥＲで囲まれる領域）ほど電位が低い傾向にある。このため、真空チャンバＣの中央領域では、端部領域に比べて強い電界が発生し、リボンビームＢの発散が大きくなる。反対に、真空チャンバＣの端部領域では、中央領域に比べて弱い電界が発生し、リボンビームＢの発散が小さくなる。

ビームポテンシャルによる発散の程度がリボンビームの長さ方向の各部で異なると、リボンビームの形状に歪みが生じる。リボンビームの形状に歪みが生じると、リボンビームを用いた基板処理に支障を来すことやビーム光学系でのビームの輸送効率に悪影響が及ぼされることが懸念される。

そこで、本発明ではビームポテンシャルによるリボンビームの長さ方向における発散不均一性を軽減することを期初の課題とする。

本発明の係る真空チャンバは、リボンビームの輸送経路を構成する真空チャンバで、前記真空チャンバ内を通過するリボンビームの進行方向をＺ方向、リボンビームの長さ方向をＹ方向とし、両方向と直交する方向をＸ方向とすると、Ｙ方向における前記真空チャンバの端部領域で、Ｘ方向での前記真空チャンバの内寸が前記真空チャンバの端部ほど小さくなる。

上記構成の真空チャンバであれば、ビームポテンシャルが比較的低いリボンビームの長さ方向における端部が通過する真空チャンバの端部領域に形成される等電位線を密にして、同領域での電界強度を強めることが可能となる。その結果、リボンビームの長さ方向における発散不均一性が軽減される。

リボンビームの輸送経路に配置されたビーム光学系によっては、リボンビームの形状は輸送経路に沿って変化する。このようなリボンビームの形状変化に合わせて、真空チャンバの形状も変化させても良い。具体的には、前記真空チャンバの端部領域で、Ｘ方向での前記リボンビームの寸法がＺ方向に沿って変化にするのに伴って、Ｘ方向での前記真空チャンバの内寸がＺ方向に沿って変化するといった構成が用いられる。

また、Ｘ方向において、偏向電磁石内でリボンビームに作用するローレンツ力の違いや同方向におけるリボンビームの形状等を考慮する場合、前記真空チャンバの内壁形状が、前記リボンビームの中心を含むＹ方向に対してＸ方向で非対称となる構成にしても良い。

また、前記真空チャンバの端部領域に複数の導電性プレートが配置される構成を用いても良い。

上記構成であれば、導電性プレートの取付け場所や取付け角度、導電性プレートの寸法等を適宜変更するだけで、リボンビームが通過する真空チャンバの内部領域の構成を容易に変更することが可能となる。その結果、リボンビームの長さ方向における発散不均一性を容易に軽減することが可能となる。

さらに、導電性プレートを配置する場合、前記真空チャンバと前記導電性プレートとの電位が異なるように構成しておいても良い。

上記構成であれば、導電性プレートに印加する電圧を変更することで、真空チャンバの内部領域に形成される電界分布の調整が可能となる。

より具体的な構成としては、前記リボンビームは正の電荷を有し、前記導電性プレートの電位が前記真空チャンバの電位よりも低い構成が用いられる。

上記真空チャンバを備えた質量分析電磁石を用いることが望ましい。質量分析電磁石はリボンビームを十分な距離旋回させてビーム中に含まれる不要成分の除去を行うために使用されるもので、当該電磁石でのビーム輸送距離は他のビーム光学要素に比べて比較的長い。
リボンビームの発散不均一性が大きいと正常な質量分析の実施が困難となるが、本発明の真空チャンバを質量分析電磁石のビーム輸送管として使用することで、質量分析電磁石内部を通過するリボンビームの発散不均一性が十分に軽減されて、正常な質量分析の実施が可能となる。

ビームポテンシャルが比較的低いリボンビームの長さ方向における端部が通過する真空チャンバの端部領域に形成される等電位線を密にして、同領域での電界強度を強めることが可能となる。その結果、リボンビームの長さ方向における発散不均一性が軽減される。

本発明が適用されるイオン注入装置の構成例を示す平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。（Ａ）は導電性プレートを用いて真空チャンバの内部空間を形成する構成で、（Ｂ）は真空チャンバそのものの形状を変形させて真空チャンバの内部空間を形成する構成である。 図２に示す真空チャンバの第１の変形例を示す断面図である。 図２に示す真空チャンバの第２の変形例を示す断面図である。（Ａ）は階段状の導電性プレートを用いた構成で、（Ｂ）は湾曲状の導電性プレートを用いた構成である。 図２に示す真空チャンバの第３の変形例を示す断面図である。（Ａ）は多数の導電性プレートを真空チャンバの上下面に配置する構成で、（Ｂ）は多数の導電性プレートを真空チャンバの左右側面に配置する構成である。 図２に示す真空チャンバの第４の変形例を示す断面図である。（Ａ）は複数の導電性プレートに１つの電源を接続した構成で、（Ｂ）は各導電性プレートに個別に電源を接続した構成である。 本発明が適用される別のイオン注入装置の構成例を示す平面図である。 ビーム径の変化に伴って真空チャンバの端部領域が変化する構成に関する説明図である。（Ａ）は質量分析電磁石内でビーム径が変化する様子を表す平面図である。（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。 真空チャンバの端部領域において、左右側面が非対称である構成に関する説明図である。（Ａ）は質量分析電磁石内でビーム径が変化する様子を表す平面図である。（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線での断面図である。 従来の真空チャンバの断面図で、リボンビームのビームポテンシャルによる電界分布を表す。

本発明が適用される荷電粒子ビーム装置の一例として、イオン注入装置の構成例が図１に描かれている。このイオン注入装置ＩＭの全体の構成について簡単に説明する。図示されるＸＹＺ軸は、処理室４内でのリボンビームＢの方向を表している。
具体的に言えば、Ｚ軸の方向（Ｚ方向）はリボンビームＢの進行方向であり、Ｙ軸の方向（Ｙ方向）はＺ軸に垂直な平面でリボンビームＢを切断したときのビーム断面におけるリボンビームＢの長さ方向である。また、Ｘ軸の方向（Ｘ方向）は、リボンビームＢの短辺方向であり、Ｙ軸とＺ軸に直交する方向でもある。

イオン源１で生成されたリボンビームＢが、質量分析電磁石２と分析スリット３を通過することで、ビーム内に含まれる不要なイオンが除去される。処理室４には図示されない走査機構に支持された基板Ｓ（ガラス基板、シリコンウェーハのような半導体基板等）が配置されていて、基板Ｓは走査機構によって処理室４内に照射されるリボンビームＢを横切って図示される矢印の方向に走査される。

基板Ｓの下流側にはビーム電流計測器５が配置されている。基板ＳにリボンビームＢが照射されていないとき、リボンビームＢはビーム電流計測器５に照射される。
ビーム電流計測器５は、例えばＹ方向に沿って配置された複数のファラデーカップから構成される多点ファラデーカップである。この計測器を用いて、Ｙ方向でのリボンビームＢのビーム電流分布の計測が行えるように構成されている。
また、多点ファラデーカップに代えて、ビーム電流計測器５を１つのファラデーカップで構成しておき、これをＹ方向に沿って移動させることで、Ｙ方向でのビーム電流分布が計測できるように構成されていても良い。

イオン源１から処理室４までのリボンビームＢの輸送経路には、輸送経路を真空に保つための真空チャンバＣが設けられている。本発明の真空チャンバＣの構成について、図２以降の図面を用いて以下に説明する。

図２は図１に示すＡ−Ａ線断面図である。従来技術の真空チャンバの構成と比べて、リボンビームＢのＹ方向における端部が通過する真空チャンバＣの端部領域の構成が異なっている。
具体的には、図２（Ａ）、（Ｂ）に見られるように、Ｙ方向におけるリボンビームＢの端部が通過する真空チャンバＣの端部領域で、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸が真空チャンバＣの端部ほど小さくなるように構成されている。
なお、真空チャンバＣの端部領域とは、Ｙ方向におけるリボンビームＢの端部が通過する領域で、同方向における真空チャンバＣの端部に形成された内壁面を含む領域のことを指す。

図２（Ａ）に示す真空チャンバＣは、従来と同じく断面矩形状の真空チャンバＣで、真空チャンバＣの内側四隅に導電性プレートＰが配置されている。この導電性プレートＰと真空チャンバＣの一部の内壁とでリボンビームＢが輸送される空間が形成される。
図２（Ａ）の構成例で、真空チャンバＣの端部領域におけるＸ方向での真空チャンバＣの内寸とは、Ｘ方向での導電性プレートＰ間の距離のことを言う。

真空チャンバＣは鉄、ステンレス、アルミ、カーボン等の導電性の材料から構成されていて、ここに同種の材料で構成された導電性プレートＰが図示されないボルトによって固定されている。また、本実施形態において真空チャンバＣと導電性プレートＰは、電気的に接地されている。

導電性プレートＰを真空チャンバＣの四隅に配置することで、Ｙ方向における真空チャンバＣの端部領域において、リボンビームＢが輸送される空間が狭くなる。これにより、真空チャンバＣの端部領域における等電位線が密となり、同領域における電界が強くなる。その結果、リボンビームＢの長さ方向におけるビームポテンシャルの違いによるビームの発散不均一性を軽減することが可能となる。

本発明の真空チャンバＣは、導電性プレートＰを用いる構成に限られない。導電性プレートＰを用いる代わりに、真空チャンバＣの形状を変更しても良い。図２（Ｂ）に示す真空チャンバＣは、真空チャンバＣの内側に図２（Ａ）と同様の内部領域が形成されるよう、八角形状の構成をしている。

図２（Ｂ）に示す構成を用いても、図２（Ａ）の構成と同じく、真空チャンバＣの端部領域での電界を強くして、リボンビームＢの長さ方向におけるビームポテンシャルの違いによるビームの発散不均一性を軽減することができる。また、図２（Ｂ）のように真空チャンバＣの外形については必ずしも八角形状にする必要はなく、外形を矩形状とし、内形を八角形状にするといった構成を用いても良い。
なお、図２（Ｂ）の構成例において、真空チャンバＣの端部領域におけるＸ方向での真空チャンバＣの内寸とは、Ｘ方向での真空チャンバＣの内壁間の距離のことを言う。

図２（Ａ）、（Ｂ）で述べた両構成であっても、ビームの発散不均一性を軽減する点で同等の効果を得ることができるが、真空チャンバＣの端部領域での電界分布の調整を容易に行うには、図２（Ａ）に示される導電性プレートＰを用いる構成の方が望ましい。
この理由は、導電性プレートＰの取付け場所や取付け角度、導電性プレートＰの寸法等を適宜変更するだけで、リボンビームＢが通過する真空チャンバＣの内部領域の構成を容易に変更することが可能となるからである。

また、真空チャンバＣの構成としては、図３に示す構成を用いても良い。図３は図２に示す真空チャンバＣの第１の変形例を示す断面図である。図３の構成では、２つの導電性プレートＰ１、Ｐ２が使用されている。この図に描かれる実施形態のように、複数の導電性プレートＰを組み合わせたものを真空チャンバＣの四隅に配置して、リボンビームＢが通過する真空チャンバＣの内部領域を構成しても良い。

さらに、図４に示す構成を用いても良い。図４は図２に示す真空チャンバＣの第２の変形例を示す断面図である。図２（Ａ）や図３に示す導電性プレートＰは断面が略長方形状の平板が使用されていたが、導電性プレートＰの形状は他の形状であっても良い。
導電性プレートＰの形状としては、例えば、図４（Ａ）に示されているように断面形状が階段状の導電性プレートＰを使用しても良い。また、図４（Ｂ）に示されているように断面形状が湾曲した導電性プレートＰを使用しても良い。

図４（Ａ）に示す構成では、真空チャンバＣの端部領域で、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸が真空チャンバＣの端部に向かうほど断続的に小さくなるように構成されている。また、図４（Ｂ）に示す構成では、真空チャンバＣの端部領域で、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸が真空チャンバＣの端部に向かうほど指数関数的に小さくなるように構成されている。

これらの構成例から理解できるように、本発明では、真空チャンバＣの端部領域で、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸が真空チャンバＣの端部ほど小さくなるように構成されていれば良い。Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸がどのように小さくなるのかについては導電性プレートＰの形状や真空チャンバＣの内壁の形状に関連する。

これまでに述べた実施形態では、導電性プレートＰが真空チャンバＣの内壁のうち、隣接する２面に固定支持される構成であったが、特定の１面に固定支持される構成でも良い。
例えば、真空チャンバＣの内壁のうち、特定の１面に複数の導電性プレートＰが固定支持される場合、図５に示す構成例を用いても良い。

図５は図２に示す真空チャンバの第３の変形例を示す断面図である。図５（Ａ）は真空チャンバＣの上下面に長さの異なる複数の導電性プレートＰが固定支持される構成例である。本発明の真空チャンバＣはこのような構成であっても良い。一方、図５（Ｂ）のように、真空チャンバＣの左右側面に長さの異なる複数の導電性プレートＰが固定支持される構成であっても良い。

これまでに述べた実施形態では、導電性プレートＰの電位を真空チャンバＣと同じ接地電位に固定していたが、導電性プレートＰの電位を真空チャンバＣと異ならせるようにしても良い。

図６は図２に示す真空チャンバＣの第４の変形例を示す断面図である。図６（Ａ）の真空チャンバＣ内に配置された導電性プレートＰには、真空フィードスルーＦを介して、電源Ｖが接続されている。また、本実施形態において導電性プレートＰは図示されない絶縁部材を介して真空チャンバＣに固定支持されており、導電性プレートＰと真空チャンバＣとは電気的に絶縁されている。各導電性プレートＰには、電源Ｖによってマイナス十数ボルトの電圧が印加されていて、真空チャンバＣは接地されている。また、真空チャンバＣ内を通過するリボンビームは正の電荷を有している。

上記構成であれば、真空チャンバＣの端部領域での電界強度をこれまでの実施形態よりも容易に調整することが可能となる。

また、図６（Ａ）に示す構成のように単一の電源Ｖを用いて、各導電性プレートＰに電圧を印加するようにしてもいいが、図６（Ｂ）に示す構成のように各導電性プレートＰに対応した電源Ｖを設けておき、各導電性プレートＰの電位設定を独立して行えるようにしても良い。
さらに、導電性プレートＰの電位設定については、真空チャンバＣの上下或いは左右に配置される導電性プレートＰを組として、導電性プレートＰの組ごとに共通の電源を用いて電位設定が行えるように構成しておいても良い。

これまでの実施形態で述べた本発明の真空チャンバＣは、イオン源１から処理室４に至るリボンビームＢの輸送経路の全域に亘って設けられていてもいいが、輸送経路の一部に設けられるような構成であっても良い。

図７は本発明が適用される別のイオン注入装置ＩＭの構成例を示す平面図である。この構成例では、本発明の真空チャンバＣは、質量分析電磁石２内のリボンビームＢの輸送経路に使用されている。また、図示されているように、導電性プレートＰはリボンビームＢの進行方向に沿って複数に分割されている。

図７のイオン注入装置ＩＭでは、可動式のビーム電流計測器１０ａ、１０ｂが、真空チャンバＣが設けられる質量分析電磁石２を挟む位置に設けられている。これらのビーム電流計測器１０ａ、１０ｂは、図１の構成例で説明したビーム電流計測器５と同様の機能、構成を有するもので、図示されない駆動機構によって図の矢印の方向に移動される。
なお、リボンビームＢによって基板Ｓが処理されている間、これらのビーム電流計測器１０ａ、１０ｂはリボンビームＢの輸送を妨げない位置に移動されている。

この構成のもと、まずビーム電流計測器１０ａでリボンビームＢの長さ方向のビーム電流分布を計測する。次にビーム電流計測器１０ｂでリボンビームＢの長さ方向のビーム電流分布を計測する。その後、両計測器での計測結果は制御装置Ｃｏｎｔに送信され、制御装置Ｃｏｎｔが質量分析電磁石２を通過することでリボンビームＢのビーム電流分布がどのように変化したのかを算出する。
そして、制御装置Ｃｏｎｔは、算出結果に基づいて、各導電性プレートＰに対して適切な電圧が印加されるように各導電性プレートＰに接続されている図示されない電源を制御する。

本発明の真空チャンバＣで導電性プレートＰに所望の電圧を印加する構成であれば、上述したフィードバックシステムと組み合わせることも可能となる。

また、図７の構成例において、ビーム電流計測器１０ａ、１０ｂのいずれか一方の計測結果に基づいて、各導電性プレートＰへの印加電圧の制御を行うようにしても良い。この場合、ビーム電流計測器の個数は１つでいいので、イオン注入装置ＩＭはビーム電流計測器１０ａもしくはビーム電流計測器１０ｂのいずれか一方を備えていれば良い。
さらに、各ビーム電流計測器１０ａ、１０ｂの代わりに、ビーム電流計測器５での計測結果に基づいて、各導電性プレートＰへの印加電圧の制御を行うようにしても良い。この場合、イオン注入装置ＩＭはビーム電流計測器５のみを備えていれば良い。

また、図７の構成例では、導電性プレートＰをビーム進行方向に沿って複数に分割していたが、このような分割構造を取る必要はなく、ビーム進行方向に沿って一体化された長い導電性プレートＰを用いても良い。さらに、図７の構成例では、図２（Ａ）と同様に、真空チャンバＣの四隅に導電性プレートＰが配置される構成が想定されているが、導電性プレートＰをビーム進行方向に沿って複数に分割する場合、真空チャンバＣに配置される導電性プレートＰのビーム進行方向における寸法が、リボンビームＢの輸送経路の構造に合せて真空チャンバＣの上下、左右で異なるように構成しても良い。

また、真空チャンバＣの端部領域の形状が、リボンビームＢの進行方向に沿って変化する構成であっても良い。例えば、質量分析電磁石２を通過するリボンビームＢのＸ方向での寸法は、質量分析電磁石２の場所に応じて変化する。図８にはこのようなリボンビームＢの寸法変化に伴って、真空チャンバＣの端部領域の形状が変化する構成例が描かれている。

図８（Ａ）は質量分析電磁石２内でビーム径が変化する様子を表す平面図であり、図８（Ｂ）〜（Ｄ）には図８（Ａ）に記載のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線での断面の様子が描かれている。この構成例では真空チャンバＣの四隅に導電性プレートＰが設けられており、これらの導電性プレートＰで真空チャンバＣの端部領域が形成されている。
また、図８（Ｂ）、図８（Ｄ）では導電性プレートＰが真空チャンバＣの内壁に対して角度θａで取り付けられていて、図８（Ｃ）では導電性プレートＰが真空チャンバＣの内壁に対して角度θｂ（＜θａ）で取り付けられている。
なお、図８（Ａ）に記載の座標軸は、質量分析電磁石２に入射するリボンビームＢと質量分析電磁石２から出射するリボンビームＢに関するものである。

図８（Ａ）に描かれるように、質量分析電磁石２に入射するリボンビームＢは質量分析電磁石２の中央付近でＸ方向の寸法が最大となるように広がり、質量分析電磁石２の下流側に配置される分析スリットで焦点を結ぶように集束する。
このようなＸ方向でのビーム寸法の変化に合わせて、真空チャンバＣの端部領域における電界分布も変化する。この点を考慮して、リボンビームＢの長さ方向における発散不均一性を十分に軽減するには、ビーム寸法の変化に合わせて真空チャンバＣの端部領域の形状も変化させる必要がある。

具体的には、Ｘ方向でのリボンビームＢの寸法がＺ方向に沿って大きくなる場合、真空チャンバＣの端部領域において、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸がＺ方向に沿って徐々に広がるように構成しておく。
図示されるように、図８（Ｂ）に記載の導電性プレートＰの取付け角度がθａで、図８（Ｃ）に記載の導電性プレートＰの取付け角度がθｂ（＜θａ）だとすると、Ｚ方向に沿って角度θａから角度θｂへ徐々に角度が小さくなるようにして導電性プレートＰが真空チャンバＣに取り付けられる。

反対に、Ｘ方向でのリボンビームＢの寸法がＺ方向に沿って小さくなる場合、真空チャンバＣの端部領域において、Ｘ方向での真空チャンバＣの内寸がＺ方向に沿って徐々に狭くなるように構成しておく。
この場合、上述の構成とは逆に、Ｚ方向に沿って角度θｂから角度θａへ徐々に角度が大きくなるようにして導電性プレートＰが真空チャンバＣに取り付けられる。

図８の実施形態は質量分析電磁石２についての構成例であったが、質量分析電磁石２以外のリボンビームＢの寸法を変化させるビーム光学要素に適用しても良い。
また、Ｘ方向でのビーム寸法が変化する例について述べたが、Ｙ方向でのビーム寸法の変化に応じて真空チャンバＣの端部領域の構成を変化させても良い。

リボンビームＢが質量分析電磁石２を通過する際、リボンビームＢにはローレンツ力が作用する。リボンビームＢはＸ方向に幅を有しており、Ｘ方向において図９（Ａ）に図示される質量分析電磁石２のＯＵＴ側とＩＮ側で異なる位置を輸送される。質量分析電磁石２のＯＵＴ側とＩＮ側ではビームの輸送距離が異なるので、リボンビームＢが質量分析電磁石２を通過する際に受けるローレンツ力の大きさがＯＵＴ側とＩＮ側で異なっている。この点を考慮して、図９に記載の構成例を用いても良い。

図８（Ａ）〜（Ｄ）と同様に、図９（Ａ）は質量分析電磁石２内でビーム径が変化する様子を表す平面図であり、図９（Ｂ）〜（Ｄ）には図９（Ａ）に記載のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線での断面の様子が描かれている。
質量分析電磁石２内でＯＵＴ側を通過するリボンビームＢの成分は、質量分析電磁石２内での輸送距離が長くなるので、ここに作用するローレンツ力は大きくなる。反対に、質量分析電磁石２内でＩＮ側を通過するリボンビームＢの成分は、質量分析電磁石２内での輸送距離が短くなるので、ここに作用するローレンツ力は小さくなる。

上述した点を考慮して、図９（Ｂ）〜（Ｄ）に描かれているように、導電性プレートＰの取付け角度が真空チャンバＣの左右で異なるように構成されている。
これらの図において、導電性プレートＰの取付け角度の関係は、θａ１＞θａ２、θａ１＞θｂ１、θａ２＞θｂ２、θｂ１＞θｂ２である。

質量分析電磁石２のＯＵＴ側を通過するリボンビームＢの成分は、ローレンツ力によりＩＮ側に向けて大きく偏向されるので、ビームポテンシャルによるビームの広がりが質量分析電磁石２のＩＮ側を通過するリボンビームＢの成分のビームポテンシャルによるビームの広がりに比べて幾分軽減される。
この点を踏まえて、ＯＵＴ側に配置される導電性プレートＰの取付け角度θａ１がＩＮ側に配置される導電性プレートＰの取付け角度θａ２に比べて大きくなるようにする。

上記構成であれば、ビームポテンシャルによるビームの広がりはＯＵＴ側の方がＩＮ側に比べて大きくなるが、ＯＵＴ側ではＩＮ側に向かってローレンツ力による偏向作用が大きく働くので、ビームポテンシャルによる発散が緩和される。その結果、真空チャンバＣの端部領域を通過するＸ方向におけるリボンビームＢの両端部のビームポテンシャルによる発散の度合いを同程度にすることが可能となる。

また、図８の実施形態で説明したようにビーム径の変化も考慮すると、図９の構成例において、質量分析電磁石２の入口から中央まではＺ方向に沿って導電性プレートＰの取付け角度が徐々に小さくなるようにし、質量分析電磁石２の中央から出口まではＺ方向に沿って導電性プレートＰの取付け角度が徐々に大きくなるように構成しておいても良い。

図９に示す実施形態では、リボンビームＢが時計回りに旋回される構成であったが、これとは逆にリボンビームＢが反時計回りに旋回される構成であっても良い。この場合、導電性プレートＰの取付け角度の関係は図９の構成例とは左右で逆になる。

また、これまでの実施形態では、説明を簡略化するために、長さ方向でのビーム電流分布が略均一なリボンビームＢや磁石内で生成される磁場が略均一な質量分析電電磁石２を想定して説明していたが、これらの条件に制限される訳ではない。ビーム電流分布や磁場分布が不均一な構成にも、本発明を適用することはできる。

この場合、図９の構成例で、導電性プレートＰの左右での取付け角度の関係をどのようなものにすれば、リボンビームＢの長さ方向における発散不均一性が軽減される最適角度となりうるかは、ビーム電流分布や磁場分布、ビームの旋回角度等の諸条件によって決定される。

図９の構成例やこれに類似する他の構成例に関して、一般的に言うならば、本発明の真空チャンバＣが配置されるリボンビームＢの輸送経路において、少なくとも一部の輸送経路では真空チャンバＣの内壁形状がリボンビームＢの中心を含むＹＺ平面に対してＸ方向で非対称となるように構成しておく。

少なくとも一部の輸送経路とは、真空チャンバＣが配置される輸送経路の全体に亘って真空チャンバＣの内壁形状を非対称に構成してもいいし、真空チャンバＣが配置される輸送経路の一部で真空チャンバＣの内壁形状を非対称に構成してもいいという意味である。
上述した構成を採用する理由は、リボンビームＢのビーム電流分布、電磁石内の磁場分布、ビームの旋回角度等によっては、質量分析電磁石の一部の輸送経路では、真空チャンバＣの内壁形状が変化し、リボンビームＢの中心を含むＹＺ平面に対して真空チャンバＣの内壁形状がＸ方向で対称となりうるからである。

ここでは質量分析電磁石を例に挙げて説明したが、Ｘ方向でリボンビームＢに作用するローレンツ力に違いがあるような偏向電磁石についても同様のことが言える。
さらに、長さ方向の端部形状がリボンビームＢの中心を含むＹ方向に対してＸ方向で非対称なリボンビームＢが本発明の真空チャンバＣを通過する場合にも、真空チャンバＣの内壁形状を非対称に構成にしておくことが考えられる。また同様に、長さ方向の端部形状がリボンビームＢの中心を含むＸ方向に対してＹ方向で非対称なリボンビームＢが本発明の真空チャンバＣを通過する場合には、真空チャンバＣの内壁形状をリボンビームＢの中心を含むＸ方向に対して非対称に構成にしておくことも考えられる。

これまでに述べた種々の実施形態は、必要に応じて組み合わせても良い。例えば、図８や図９で説明した実施形態と図６で説明した実施形態とを組み合わせても良い。また、これまでに述べた多くの実施形態では導電性プレートＰを用いる構成であったが、このような導電性プレートＰをなくし、真空チャンバＣの内壁形状を適宜変更するようにしても良い。この場合、真空チャンバＣの内壁形状としては、図２（Ｂ）で述べた八角形形状に限らず、六角形や十二角形等の多角形形状や楕円形状といった種々の形状が用いられる。

また、これまでに述べた種々の実施形態は、リボンビームＢとしてイオンビームを例に挙げて説明したが、電子ビームにも本発明は適用できる。

さらに、Ｙ方向においてリボンビームＢの端部は中央部よりもビームポテンシャルによる発散が小さくなる傾向にあるが、本発明の真空チャンバＣに入射するビームの特性によっては、ビーム端部以外の場所でもビームポテンシャルによる発散が小さくなるケースも考えられる。
このような場合、リボンビームＢの端部以外の所定位置に対応した導電性プレートＰを追加する等しても良い。

その他、前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。

２ 質量分析電磁石
Ｂ リボンビーム
Ｃ 真空チャンバ
Ｐ 導電性プレート
Ｖ 電源

Claims (7)

1. リボンビームの輸送経路を構成する真空チャンバで、
   前記真空チャンバ内を通過するリボンビームの進行方向をＺ方向、リボンビームの長さ方向をＹ方向とし、両方向と直交する方向をＸ方向とすると、
   Ｙ方向における前記真空チャンバの端部領域で、Ｘ方向での前記真空チャンバの内寸が前記真空チャンバの端部に向かうほど小さくなる真空チャンバ。
2. 前記真空チャンバの端部領域で、Ｘ方向での前記リボンビームの寸法がＺ方向に沿って変化にするのに伴って、Ｘ方向での前記真空チャンバの内寸がＺ方向に沿って変化する請求項１記載の真空チャンバ。
3. 前記真空チャンバの内壁形状が、前記リボンビームの中心を含むＹ方向に対してＸ方向で非対称である請求項１または２記載の真空チャンバ。
4. 前記真空チャンバの端部領域に複数の導電性プレートが配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空チャンバ。
5. 前記真空チャンバと前記導電性プレートとの電位が異なっている請求項４記載の真空チャンバ。
6. 前記リボンビームは正の電荷を有し、
   前記導電性プレートの電位が前記真空チャンバの電位よりも低い請求項５記載の真空チャンバ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の真空チャンバを備えた質量分析電磁石。