JPH0493800A - マイクロイオンビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はサイクロトロンから出力されるミリサイズのイ
オンビームを複数段階で絞ることにより、被照射体に照
射するのに好適なミクロンサイズのイオンビームを発生
し、以て各種のイオンビーム分析に用いることのできる
マイクロイオンビーム発生装置に関するものである。

［従来の技術１ 従来においては、工業用利用としてサイクロトロンより
出力されるミリサイズのＭｅＶ級のエネルギーのイオン
ビームをミクロンサイズに収束させて使用する装置は無
い。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明の目的は、ミクロンサイズでかつＭｅＶ級の高エ
ネルギーのイオンビームを発生するマイクロイオンビー
ム発生装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明では、サイク
ロトロンより出力されるイオンビームをビーム通路を経
て複数段階で絞り被照射体に照射するイオンビームを発
生する装置において、前記ビーム通路の入力側の第１段
階に、イオンビームを正しい位置と方向をもったイオン
ビームに調整するビームアライメント装置を設け、第２
段階に、このビームアライメント装置によってほぼ中央
に入射されたイオンビームを所定のビーム形状に収束で
きるように不適性なイオンビームを取り除くプレスリッ
トを配置し、第３段階にはこのプレスリットを通過した
イオンビームがら更に残存する不適性なビームを取り除
き所定のビーム形状に収束できる性状のイオンビームの
みを通過させるオブジェクトスリットを設け、第４段階
には、イオンビームの広がり角度を規定し、および前記
オブジェクトスリットにおいて僅かに散乱したビームを
除去するサブスリットを設け、さらに、このサブスリッ
トの出力側にはサブスリットからのビームを所定形状に
収束させるビーム収束電磁石を設ける。

ここで、前記ビームアライメント装置は、前記イオンビ
ームの水平および垂直移動および偏向を行うための２個
１組の静電板あるいはマグネット板の組を二対、水平お
よび垂直にかつ前記イオンビームの進行方向に交互に配
置することができる。

前記プレスリット、前記オブジェクトスリットおよび前
記サブスリットは、それぞれ、断面が円形の２つの円形
スリット本体をビーム進行方向に対して直角にかつ互い
に対向して配置し、これら２つの円形スリット本体には
偏心回転軸を設け、該偏心回転軸を回転して前記円形ス
リット本体間のスリット幅を可変できるようにしてもよ
い。

前記円形スリット本体は中空となし、その中空部に冷却
水を供給することができる。

前記円形スリット本体の材料をタングステンカーバイト
とすることができる。

前記ビーム収束電磁石の次段には、該ビーム収束電磁石
によって収束された数ミクロンサイズのイオンビームに
電場を与え被照射体に対するビーム照射位置を任意に変
化させて走査するビームスキャニング装置を配置するこ
とができる。

前記プレスリットの次段に当該プレスリットによって不
適性なイオンビームを取り除いた後のビーム電流値およ
びビーム形状を測定する第１ファラデーカップ・ビーム
ビューア−を配設し、前記オブジェクトスリットの次段
に当該オブジェクトスリットによって不適性なイオンビ
ームを取り除いた後のビーム電流値およびビーム形状を
測定する第２ファラデーカップ・ビームビューア−を配
設し、前記サブスリットの次段に当該サブスリットによ
って僅かに散乱した不適性なイオンビームを取り除いた
後のビーム電流値およびビーム形状を測定する第３ファ
ラデーカップ・ビームを配設し、該第３ファラデーカッ
プ・ビームビューア−の次段に前記ビーム収束磁石を配
設することができる。

［作　用］ 本発明では、サイクロトロンより出力されるミリサイズ
のイオンビームはビームアライメント装置により正しい
方向をもったイオンビームに調整され、この調整された
イオンビームはプレスリットのほぼ中央に入射されて不
適性なビームが取り除かれ、このプレスリットより所定
のビーム形状に整形されたイオンビームが得られる。

このプレスリットを通過したイオンビームは、オブジェ
クトスリットに入射されて更に残存する不適性なビーム
が取り除かれて所定のビーム形状のイオンビームにされ
、このオブジェクトスリットより所定の形状に収束でき
る性状のイオンビームのみが得られる。このオブジェク
トスリットを通過したイオンビームはサブスリットに入
射されてビームの広がり角度を規定するとともにオブジ
ェクトスリットで僅かに散乱したイオンビームが除去さ
れる。さらに、このサブスリットからの出力イオンビー
ムはビーム収束電磁石で収束され、ミクロンサイズのイ
オンビームが得られる。

このイオンビームは被照射体に照射されイオンビーム分
析に供せられる。

［実施例ｊ 以下、図面により本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明装置の一実施例の構成を示す正面図、第
２図は本発明におけるビームアライメント装置２の構成
例を示す概略図、第３図は本発明におけるビームスリッ
トの構成例を示す概略図である。

まず、本実施例の構成を説明する。

第１図において、１３は超小型サイクロトロン（図示せ
ず）より出力されたミリサイズのイオンビーム１５を入
力して必要なビームに振り分けるスイッチングマグネッ
トである。１はこのスイッチングマグネット１３により
必要なビームに振り分けられて出力するイオンビームの
ビーム通路である。１４はスイッチングマグネット１３
の出力側に配設され、振動を吸収する第１ベローズであ
る。

ビーム通路１の入力側の第１段階には、サイクロトロン
より出力するイオンビームな小型収束電磁石（図示しな
い）およびスイッチングマグネット１３を経て正しい位
置と方向をもったイオンビームに調整するビームアライ
メント装置２が第１ベローズ１４を介して設けられてい
る。

このビームアライメント装置２は、換言すれば、ミリサ
イズのイオンビームが次のビームスリットに正しい位置
と方向をもって入射するように調整する装置であり、第
２図に示すように、ミリサイズのイオンビーム１００の
平行移動と偏向を行う２個１組の静電板もしくはマグネ
ット板、例えばマグネット板２ａ〜２ｄを４組、それぞ
れ、水平および垂直にかつビームの進行方向に交互に配
置して構成する。

この実施例の場合、ビームの水平方向の移動は中心軸に
対して±１．５ｍｍ　、偏向角度は１０ｍｒａｄ、ビー
ムアライメント装置２全体の長さは約５００ｍｍとなっ
ている。例えば、７ＭｅＶのα粒子や１．８ＭｅＶの陽
子の場合は１．３ｋＶ／ｍｍの電界強度が必要となり、
これに相当する磁場は７００ガウス程度となるため、磁
場の場合は双極マグネット板となる。マグネット板の場
合は磁場均一度を上げるためウィンドフレーム型を採用
することができる。この場合には、ウィンドフレーム型
の場合は４組のマグネット板を固定する強度部材の配置
がコンパクトになり、制約されたスペースに挿設するこ
とが可能になる。また、ビームアライメント装置２は後
述するファラデーカップ・ビームビューア−より得られ
る情報を受取、磁場の調整を行う連動機構を備え、ビー
ムの適性位置挿入をより精度のよいものにしている。

ビームスリットは不適性なビームを取り除くことを基本
機能として、入力側における２個のプレスリット３ａお
よび３ｂと、１個のオブジェクトスリット４および出力
側における１個のサブスリット５よりなり、合計４個、
３種類のスリットよりなる。ビーム通路ｌの入力側の第
２段階には、ビームアライメント装置２によってほぼ中
央に入射されたイオンビームを所定のビーム形状に収束
できるように不適性なビームを取り除くプレスリット３
が配置されている。１６はビームアライメント装置２と
プレスリット３ａとの間に設けられたバルブである。

プレスリット３ａおよび３ｂは前後に合計２個設けられ
、ビームアライメント装置２によりほぼ中央に入射され
たビームをビーム通路１の出力側の位置に装着されたビ
ーム収束電磁石６によって所定のビーム形状に収束でき
るように不適性なビームを取り除く役目を果たすもので
、極めて高精度なオブジェクトスリット４の前段に配置
され、オブジェクトスリット４に過負荷を与えないよう
にするための予備的なスリットである。これらプレスリ
ット３ａおよび３ｂを用いてほぼ９９％の不適性なビー
ムを取り除く。

ビーム通路１の入力側の第３段階には、プレスリット３
ｂを通過したイオンビームから更に残存する不適性なビ
ームを取り除きビーム収束電磁石６によって所定のビー
ム形状にビームを収束できる性状のビームのみを通過さ
せるオブジェクトスリット４が設けられている。オブジ
ェクトスリット４は、位置の停止精度と再現性およびビ
ームの散乱を極小にする構造となっている。

オブジェクトスリット４を通過した後のビーム２００の
サイズは１００μｍとなる。ビーム通路１の出力側の第
４段階には、イオンビームの広がり角度を１　ｍｒａｄ
程度に規定するとともに、オブジェクトスリット４にお
いて僅かに散乱したビームを除去するサブスリット５を
設けている。

これらのスリット３ａ、　３ｂ、　４および５はスリッ
トの位置精度の維持および再現性は勿論のこと、ビーム
衝突により生ずる発熱によるスリットの変形や変位の防
止およびスリット通過後のビームの散乱を極小に抑える
構造とすることが必要である。

そのため、スリットの構造としては、ビームの散乱を僅
少に抑えるために円形スリット、すなわち断面が円形で
ある円筒状のスリットとし、位置精度を正確にするため
に偏心回転軸により円形スリットの位置の調整を行う構
成とすることができる。また、冷却効果を高め、その変
形を少なくするため、回転軸を中空とし直接冷却水を供
給する方式とすることができる。ビーム衝突によるスリ
ットの表面の損傷を防ぐために材料をタングステンカー
バイトとすることができる０位置設定および検出を行う
ために、スリットの軸にステッピングモータとエンコー
ダを直結することができる。

即ち、プレスリット３ａと３ｂ、オブジェクトスリット
４およびサブスリット５は、それぞれ、第３図に示すよ
うに構成する。すなわち、タングステンカーバイト族の
円筒状の円形スリット本体１１ａおよびｌｌｂをビーム
進行方向４００に対して直角にかつ互いに対向して配置
する。これらの円形スリット本体１１ａおよびｌｌｂに
それぞれ偏心して取りつけた各中空偏心円形回転軸１２
ａおよび１２ｂにステッピングモータおよびエンコーダ
（図示せず）を結合する。そのステッピングモータによ
り該当回転軸１２ａおよび１２ｂを回転して両スリット
本体１１ａとｌｌｂとの間に形成されるスリット幅ＳＷ
が、プレスリット３ａ、　３ｂでｏ〜５ｍａ＋、オブジ
ェクトスリット４で、０〜１ａ＋ｍおよびサブスリット
５でＯ〜３１１１Ｑ＋程度可変調整できる構造とする。

このような構成のスリット３ａ、　３ｂ、　４および５
を用いた場合には、偏心量をＳとすると、円形スリット
本体１１ａ、ｌｌｂが１８０°回転するとスリット可動
量２Ｓに展開でき、位置精度が得易い、ここで、中空偏
心円形回転軸１２ａおよび１２ｂとモータ回転軸とは直
結できるためバックラッシュ誤差が小さい、しかも、相
互のスリットの衝突が防げるとともにリミットスイッチ
の精度に左右されない、ここで、ビーム衝突面１７はス
リット幅ｓｗによって変化するため、スリットの消耗を
軽減できる。中空偏心円形回転軸１２ａおよび１２ｂの
偏心度はスリット可動量２Ｓのｌ／２、即ちＳでよい等
の特徴がある。

サブスリット５の出力側には所定のビーム形状に収束す
るビーム収束電磁石６が設けられ、このビーム収束用電
磁石６の後段には収束された数ミクロンサイズ、例えば
、７μｍサイズのイオンビーム３００に電場を与え被照
射対に対するビーム照射位置を任意に変化させて走査す
るチェンバ１８内のスキャニング装置ｌＯが配置されて
いる。

ビーム収束用電磁石６は計算機シミュレーションにより
所定の磁石形状に設定した電磁石とする。このビーム収
束電磁石６は、３個の４極磁石からなり、入射したビー
ムを被照射体の像点において所定の形状まで収束させる
装置である。ビーム収束のための磁場分布は極めて正確
であるを要し、磁極の調整は精密さを要するため、電磁
石は精密微調整機構を備えている。

プレスリット３ａおよび３ｂのうち、前段のスリット３
ａの後段には当該スリット３ａによって不適性なビーム
を取り除いた後のビーム電流値およびビーム形状を測定
する第１ファラデーカップ・ビームビューア−７が設け
られる。オブジェクトスリット４の次段には、このオブ
ジェクトスリット４によって不適性なビームを取り除い
た後のビーム電流値およびビーム形状を測定する第２フ
ァラデーカップ・ビームビューア−８が設けられている
。

サブスリット５の次段には、サブスリット５によって僅
かに散乱した不適性なビームが取り除かれた後のビーム
電流値およびビーム形状を測定する第３ファラデーカッ
プ・ビームビューア−９が設けられている。

１９はビーム通路１内を高真空状態にする真空ポンプ、
２０ａおよび２０ｂは、それぞれ、この真空ポンプ１９
の運転により生ずる振動を吸収するための第２および第
３ベローズ、２１は第３ファラデーカップ・ビームビュ
ーア−９とビーム収束電磁石６との間に設けられたバル
ブ、２２はチェンバ１８内を真空状態にする真空ポンプ
、２３は真空ポンプ２３に取りつけられたバルブ、２４
はチェンバ１８とバルブ２３との間に設けられた第４ベ
ローズである。

本実施例による装置の設計にあたっては、サイクロトロ
ンより出力されるイオンビームの性状を確定することか
ら始め、総合的な計算機シミュレーションにより各々の
装置の機能を設定して構成することになる。

以上のような構成の本実施例の作用を説明する。

超小型サイクロトロンより出力するミリサイズのイオン
ビーム１５がスイッチングマグネット１３により必要な
ビームラインに振り分けられてビーム通路１の入力側に
入射される。このミリサイズのイオンビーム１５に対し
て、第２図に示すように、２個１組のマグネット板２ａ
〜２ｄの４組よりなるビームアライメント装置２により
平行移動と偏向を順次行って、正しい位置と方向をもっ
たイオンビームが得られるように調整を行う、この調整
されたイオンビーム１００は、プレスリット３ａ、　３
ｂを構成する円形スリット本体１１ａとｌｌｂとの間の
スリッド幅を偏心回転軸１２ａおよび１２ｂを回転して
制御することにより不適性なビームが取り除かれ、この
ブレスレット３ａ、　３ｂより所定のビーム形状に整形
されたイオンビームが得られる。

このブレスレット３ａ、　３ｂを通過したイオンビーム
はオブジェクトスリット４を構成する円形スリット本体
１１ａとｌｌｂとの間のスリット幅を偏心円形回転軸１
２ａおよび１２ｂを回転して制御することにより更に残
存する不適性なビームが取り除かれて所定のビーム形状
のビームにされ、このオブジェクトスリット４より所定
の形状に収束できる性状のビームのみが得られる。

このオブジェクトスリット４を通過したイオンビームは
数百ミクロン、例えば１００μｍサイズのイオンビーム
２００となり、サブスリット５に入射される。サブスリ
ット５を構成する円形スリット本体１１ａとｌｌｂとの
間のスリット幅を偏心円形回転軸１２ａおよび１２ｂを
回転して制御することにより、このイオンビーム２００
の広がり角を１　ｍｒａｄ程度に規定するとともに、オ
ブジェクトスリット４において僅かに散乱したビームが
除去される。

このイオンビーム２００はビーム収束電磁石６に入射さ
れて所定のビーム形状に収束され、所望のマイクロビー
ムサイズ、例えば７μｍサイズのイオンビーム３００が
照射位置で得られる。このイオンビーム３００はビーム
スキャニング装置ＩＯに入射されて、チェンバ１８内に
設置された被照射体に対してビーム位置を任意に変化さ
せて走査を行いながら照射され、被照射体のイオンビー
ム分析に供せられる。

【発明の効果１ 上述のように、本発明によれば、サイクロトロンより出
力されるイオンビームをビーム通路を経て複数段階で絞
り、被照射体に照射するイオンビームを発生する装置に
おいて、ビーム通路の入力側の第１段階に、イオンビー
ムを正しい位置と方向をもったイオンビームに調整する
ビームアライメント装置を設け、第２段階に、このビー
ムアライメント装置によってほぼ中央に入射されたイオ
ンビームを所定のビーム形状に収束できるよう不適性な
ビームを取り除くプレスリットを配置し、第３段階には
このプレスリットを通過したイオンビームから更に残存
する不適性なビームを取り除き所定のビーム形状に収束
できる性状のビームのみを通過させるオブジェクトスリ
ットを設け、ビーム通路の出力側の第４段階には、ビー
ムの広がり角度を規定し、更にオブジェクトスリットに
おいて僅かに散乱したビームを除去するサブスリットを
設け、さらにサブスリットから出射したイオンビームな
ビーム収束電磁石に入射させてマイクロビームサイズに
収束するようにしたので、イオンビームはビームアライ
メント装置により後段のスリット群に正しい位置と方向
を持って入射され、かつプレスリット、オブジェクトス
リットおよびサブスリットによりイオンビームから不適
性なビームを十分に除けるので、マイクロビームサイズ
でかつＭｅＶ級の高エネルギーのイオンビームを得るこ
とができ、以て被照射体のイオンビーム分析に適したマ
イクロイオンビーム発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例の構成を示す正面図、 第２図は、本発明におけるビームアライメント装置の構
成例を示す概略図、 第３図は本発明におけるビームスリットの構成例を示す
概略図である。 １・・・ビーム通路、 ２・・・ビームアライメント装置、 ２８〜２ｄ・・・マグネット板（静電板）、３ａ、　３
ｂ・・・プレスリット・ ４・・・オブジェクトスリット、 ５・・・サブスリット、 ６・・・ビーム収束電磁石、 ７・・・第１ファラデーカップ・ビームビューア− ８・・・第２ファラデーカップ・ビームビューア− ９・・・第３ファラデーカップ・ビームビューア− １０・・・ビームスキャニング装置、 １１ａ　、　ｌｌｂ・・・円形スリット本体、１２ａ　
、　１２ｂ・・・偏心（円形）回転軸、１３・・・スイ
ッチングマグネット、 １４・・・第１ベローズ、 １５・・・イオンビーム、 １６・・・バルブ、 １７・・・ビーム衝突面、 １８・・・チェンバ、 １９・・・真空ポンプ、 ２０ａ、２０ｂ−第２．第３ベローズ、２１・・・バル
ブ、 ２２・・・真空ポンプ、 ２３・・・バルブ、 ２４・・・第４ベローズ、 １００・・・ミリサイズのイオンビーム、２００・・・
１００ミクロンサイズのイオンビーム、３００・・・７
ミクロンサイズのイオンビーム、４００・・・ビーム進
行方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）サイクロトロンより出力されるイオンビームをビー
   ム通路を経て複数段階で絞って、被照射体に照射するイ
   オンビームを発生する装置において、 前記ビーム通路の入力側に配設され、前記サイクロトロ
   ンより出力されるイオンビームを正しい位置および方向
   をもったイオンビームに調整するビームアライメント装
   置と、 前記ビームアライメント装置によってほぼ中央に入射さ
   れたイオンビームを所定のビーム形状に集束できるよう
   に不適性なイオンビームを取り除くプレスリットと、 前記プレスリットを透過したイオンビームから更に残存
   する不適性なイオンビームを取り除き所定のビーム形状
   に収束できる性状のイオンビームのみを透過させるオブ
   ジェクトスリットと、前記オブジェクトスリットの出力
   側に配設され、前記オブジェクトスリットから出力され
   るイオンビームの広がり角度を規定し、および前記オブ
   ジェクトスリットにおいてわずかに散乱されるイオンビ
   ームを除去するサブスリットと、 前記サブスリットの出力側に配設され、前記サブスリッ
   トからの出力イオンビームを所定のビーム形状に収束さ
   せるビーム収束電磁石と を具えたことを特徴とするマイクロイオンビーム発生装
   置。 ２）前記ビームアライメント装置は、前記イオンビーム
   の水平および垂直移動および偏向を行うための２個１組
   の静電板あるいはマグネット板の組を二対、水平および
   垂直にかつ前記イオンビームの進行方向に交互に配置し
   たことを特徴とする請求項１記載のマイクロイオンビー
   ム発生装置。 ３）前記プレスリット、前記オブジェクトスリットおよ
   び前記サブスリットは、それぞれ、断面が円形の２つの
   円形スリット本体をビーム進行方向に対して直角にかつ
   互いに対向して配置し、これらの円形スリット本体には
   偏心回転軸を設け、該偏心回転軸を回転して前記２つの
   円形スリット本体間のスリット幅を可変できるようにし
   たことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ
   イオンビーム発生装置。 ４）前記円形スリット本体は中空となし、その中空部に
   冷却水を供給するようにしたことを特徴とする請求項３
   記載のマイクロイオンビーム発生装置。 ５）前記円形スリット本体の材料をタングステンカーバ
   イトとしたことを特徴とする請求項３または４に記載の
   マイクロイオンビーム発生装置。 ６）前記ビーム収束電磁石の次段には、該ビーム収束電
   磁石によって収束された数ミクロンサイズのイオンビー
   ムに電場を与え被照射体に対するビーム照射位置を任意
   に変化させて走査するビームスキャニング装置を配置し
   たことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載
   のマイクロイオンビーム発生装置。 ７）前記プレスリットの次段に当該プレスリットによっ
   て不適性なイオンビームを取り除いた後のビーム電流値
   およびビーム形状を測定する第１ファラデーカップ・ビ
   ームビューアーを配設し、前記オブジェクトスリットの
   次段に当該オブジェクトスリットによって不適性なイオ
   ンビームを取り除いた後のビーム電流値およびビーム形
   状を測定する第２ファラデーカップ・ビームビューアー
   を配設し、前記サブスリットの次段に当該サブスリット
   によって僅かに散乱した不適性なイオンビームを取り除
   いた後のビーム電流値およびビーム形状を測定する第３
   ファラデーカップ・ビームを配設し、該第３ファラデー
   カップ・ビームビューアーの次段に前記ビーム収束磁石
   を配設したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれ
   かに記載のマイクロイオンビーム発生装置。