KR100920433B1 - 분석용 전자석 - Google Patents

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쇼지로 도히
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닛신 이온기기 가부시기가이샤
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Abstract

분석용 전자석(40)에서, 평면도 상의 형상이 만곡된 각각의 자극(80)은 이온 빔(2)의 진행방향을 따라 3개의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)으로 분할된다. 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 제1 부분 자극 쌍(81)과 제3 부분 자극 쌍(83)의 간격은 만곡부의 바깥쪽을 향해 넓어지며, 제2 부분 자극 쌍(82)의 간격은 만곡부의 안쪽을 향해 넓어진다.
분석용 전자석, 이온 빔, 운동량 분석, 부분 자극 쌍

Description

분석용 전자석{ANALYZING ELECTROMAGNET}
도 1은 본 발명의 분석용 전자석의 실시예를 도시하는 평면도.
도 2는 도 1의 선 A-A 또는 C-C를 따라 취한 개략적인 단면도.
도 3은 도 1의 선 B-B를 따라 취한 개략적인 단면도.
도 4는 부분 자극 쌍(partial magnetic pole pair)의 간격에서의 자속 밀도의 불균일에 따른 로렌츠 힘 분포의 개략적인 예를 도시하는 도면.
도 5는 도 2에서의 자력선 중 하나를 확대 도시하는 도면.
도 6은 도 3에서의 자력선 중 하나를 확대 도시하는 도면.
도 7은 도 1에 도시된 3개의 부분 자극 쌍에 의해 이온 빔이 수렴되고 발산되는 상황을 예시하는 다이어그램으로서, 3개의 부분 자극 쌍이 볼록 렌즈와 오목 렌즈로서 모식적으로 표시된 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3개의 부분 자극 쌍에 의해 이온 빔이 발산되고 수렴되는 상황을 예시하는 다이어그램으로서, 3개의 부분 자극 쌍이 오목 렌즈와 볼록 렌즈로서 모식적으로 표시된 도면.
도 9는 각각의 자극이 짝수 개의 부분 자극으로 분할되는 경우에 있어서 이온 빔이 수렴되고 발산되는 상황을 예시하는 다이어그램으로서, 2개의 부분 자극 쌍이 볼록 렌즈와 오목 렌즈로서 모식적으로 표시된 도면.
도 10은 각각의 자극이 짝수 개의 부분 자극으로 분할되는 경우에 있어서 이온 빔이 발산되고 수렴되는 다른 상황을 예시하는 다이어그램으로서, 2개의 부분 자극 쌍이 볼록 렌즈와 오목 렌즈로서 모식적으로 표시된 도면.
도 11은 관련 기술의 분석용 전자석을 예시하는 단면도로서, 이온 빔의 진행방향에서 바라본 입구 부근을 도시하는 도면.
도 12는 관련 기술의 분석용 전자석을 예시하는 단면도로서, 이온 빔의 진행방향에서 바라본 출구 부근을 도시하는 도면.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 자극들의 간격에서의 자속 밀도의 불균일에 따른 로렌츠 힘 분포를 예시하는 개략도.
도 14는 도 12에 도시된 이온 빔이 분석용 슬릿에 입사되는 상황을 예시하는 정면도로서, 이온 빔의 진행방향에서 바라본 도면.
도 15는 리본형(ribbon-like) 이온 빔을 예시하는 부분 사시 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 이온 빔
4, 40 : 분석용 전자석
6 : 코어
8 : 자극
10 : 요크
12 : y 방향의 간격
12a : y 방향의 간격의 중앙
14 : 코일
16 : 자력선
20 : 분석용 슬릿
22 : 선형 슬릿
70 : 상하 대향면
80 : 자극
81, 82, 83 : 부분 자극 쌍
α : 입사각
β : 출사각
본 출원은 일본 특허청에 2006년 6월 9일자로 출원한 일본 특허 출원 제2006-160991호를 우선권으로 주장한다. 우선권 출원은 그 내용의 전부가 참조로써 인용되어 있다.
본 개시 내용은, 이온 주입 장치, 이온 도핑(등록 상표) 장치, 또는 유사한 장치에서 사용되며 이온 빔의 운동량 분석(예컨대, 질량 분석)을 수행하기 위해 이온 빔을 편향시키는 분석용 전자석에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 리본형 이온 빔의 운동량을 분석하는 분석용 전자석에 관한 것이다.
예를 들면, 특허 문헌 1[UM-A-64-7753(도 1)]은, 이온 빔의 운동량 분석(예 컨대, 질량 분석이며 이하 동일한 분석이 적용됨)을 수행하기 위해 이온 빔을 편향시키는 분석용 전자석의 관련 기술의 예를 개시하고 있다.
도 11은, 이러한 관련 기술의 분석용 전자석에 있어서, 이온 빔(2)이, 예컨대 도 15에 도시된 바와 같은 리본형[리본형은 또한 시트형(sheet-like) 또는 스트립형(strip-like)으로도 불림]이고, 진행방향(z)과 교차하는 평면에서의 y 방향의 치수(Wy)가 y 방향에 수직인 x 방향의 치수(Wx)보다 큰 것이며, 평면도 상의 형상이 만곡되어 있고 y 방향의 간격을 통해 서로 대향하는 자극들 사이로 이온 빔이 입사되는 예를 도시하고 있다. 도 11은 이온 빔(2)의 입구 부근에서 도시한 것이다.
분석용 전자석(4)은 H자형 단면 형상을 갖는 코어(6)를 포함한다. 상기 코어(6)는 y 방향의 간격(12)을 통해 서로 대향하는 한 쌍의 상부 자극과 하부 자극(8) 및 상기 자극들(8)을 서로 연결하는 요크(10)를 구비한다. 각각의 자극(8)의 평면도 상의 형상은 부채꼴 형상으로 만곡된다. 자극(8)의 대향면들(9)은 서로 평행하다. 코일(14)은 각각의 자극(8)의 루트 부분 둘레에 감겨있다. 이 예에서, 자기장은 상향으로 형성된다. 자기장은 수 개의 자력선(16)에 의해 모식적으로 도시되어 있다(다른 도면에도 동일하게 적용됨).
이온 빔(2)은 리본 형상을 갖는다. 그러나, 리본 형상은 x 방향의 치수(Wx)가 종이와 같이 얇은 형상을 의미하지는 않는다. 예를 들면, 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy)는 약 400 내지 900 mm이고, x 방향의 치수(Wx)는 약 30 내지 100 mm이다.
전술한 형상을 갖는 이온 빔(2)은 상부 자극과 하부 자극(8) 사이로, 즉 상기 간격(12)으로 입사된다. 진행 중에, 이온 빔(2)은 진행 방향(z 방향)에서 볼 때 우측을 향하는 로렌츠 힘을 받아 우측으로 편향되고, 이에 따라 운동량이 분석된다. 본 명세서에서는, 이온 빔(2)이 양이온에 의해 구성되는 경우를 예로서 설명한다.
리본형 이온 빔(2)이 분석용 전자석(4)에 입사되는 경우, 상부 자극과 하부 자극(8)의 간격(12)의 y 방향의 길이인 간격 길이(G)는 상기 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy)에 부합해야만 하며, 이에 따라 간격 길이는 매우 길다.
이에 따라, 간격(12)에서는, 자력선(16)이 x 방향의 양쪽 바깥쪽을 향해 크게 팽출된다. 간격(12)에서의 자속 밀도(B)는 상부 자극과 하부 자극(8) 사이의 중앙(12a)[즉, 간격(12)의 중앙] 부근에서 상대적으로 작고, 상부 자극과 하부 자극(8)에 가까울수록[즉, 간격(12)의 중앙(12a)으로부터 수직으로 더 멀어질수록] 자속 밀도가 상대적으로 크기 때문에, 자속 밀도는 y 방향으로 균일하지 않다. 상기 자력선(16)의 팽출이 클수록 비균일도는 커진다.
간격(12)을 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는, 자기장에 의한 로렌츠 힘(F)은 다음의 식으로 나타낸다. 이 식에서, q는 이온 빔(2)을 구성하는 이온의 전하량이고, v는 이온 빔(2)의 일정한 속도이며, B는 자속 밀도이다.
[식 1]
F = qvB
이 식에서도 알 수 있듯이, 전술한 바와 같이 자속 밀도(B)가 균일하지 않은 경우에는, 상기 간격을 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘(Fx) 또한 균일하지 않다. 도 13에 예시된 바와 같이, x 방향의 로렌츠 힘(Fx)은 균일하지 않게 분포하여, 간격(12)의 중앙(12a) 부근에서 상대적으로 작고, 중앙(12a)으로부터 수직으로 더 멀어짐에 따라 상대적으로 더 커진다.
결과적으로, 도 11에 도시된 y 방향으로 일직선인 이온 빔(2)이 분석용 전자석(4)에 입사되는 경우에도, 분석용 전자석(4)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 형상은, 예컨대 도 12에 도시된 바와 같이 x 방향의 로렌츠 힘(Fx)의 전술한 분포와 유사한 아치 형상 또는 L자 형상과 유사한 아치 형상으로 왜곡된다(만곡된다). 도 12는 분석용 전자석(4)의 출구 부근을 도시하고 있다.
분석용 전자석(4)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 형상이 전술한 바와 같이 왜곡되는 경우에 다양한 문제가 발생한다.
분석용 전자석(4)의 하류쪽에는, 예컨대 이온 빔(2)의 운동량을 분석하기 위해 분석용 전자석(4)과 함께 사용되는 분석용 슬릿이 일반적으로 배치된다. 도 14는 분석용 슬릿(20)의 예를 도시하고 있다. 상기 분석용 슬릿(20)은 선형 슬릿(22)을 구비한다. 따라서, 이온 빔(2)이 전술한 바와 같이 왜곡되는 경우, 분석용 슬릿(20)에 의해 잘리는 부분(2a, 2b, 2c)(빗금친 부분)이 생기며, 분석용 슬릿(20)을 통과하는 바람직한 이온 화학종의 이온 빔(2)의 양이 줄어든다. 잘리는 부분이 생기기 때문에 이온 빔(2)의 균일도가 나빠진다. 이온 빔이 잘리는 것을 방지하기 위해 선형 슬릿(22)의 폭(Ws)을 늘리면 해상도가 낮아진다.
또한, 원하는 이온 화학종(예컨대, 11B+)의 운동량과 유사한 운동량을 갖는 원하지 않는 이온 화학종(예컨대, 10B+)의 궤적도 유사하게 아치 형상으로 왜곡된다. 따라서, 원래는 선형 슬릿(22)을 통과할 수 없는 이온 화학종이 선형 슬릿을 통과한다. 이러한 관점에서 또한 해상도가 낮아진다.
분석용 슬릿(20)에서의 전술한 문제 외에도, 전술한 바와 같이 왜곡된 형상을 갖는 이온 빔(2)을 사용하여 (반도체 기판 또는 유리 기판과 같은) 목표물에 이온 주입과 같은 공정을 행하는 경우, 이 공정의 균일도가 나빠지는 문제가 발생한다.
특허 문헌 2[JP-A-2005-327713(단락 0087 내지 0089, 도 8 및 도 9)]에서는, 길이방향으로 리본형 이온 빔이 입사되는 주(主) 자극의 양쪽에 제1 서브 자극과 제2 서브 자극이 배치되고 세 종류의 자극의 간격 길이가 조절되는 것인 분석용 전자석이 개시되며, 이에 따라 주 자극들 사이의 자력선이 서로 평행하게 된다. 이 기법을 채용하면, 이온 빔이 왜곡되는 문제는 해결될 수도 있다. 그러나, 구조가 복잡해지는 또 다른 문제가 발생한다.
본 발명의 실시예에서는 상대적으로 간단한 구조를 통해 리본형 이온 빔의 이러한 왜곡을 줄일 수 있는 분석용 전자석을 제공한다.
제1 발명에 따른 분석용 전자석은, 진행방향과 교차하는 평면에서의 y 방향 의 치수가 y 방향에 수직인 x 방향의 치수보다 더 큰 리본 형상을 갖는 이온 빔이, 평면도 상의 형상은 만곡되어 있으면서 y 방향의 간격을 통해 서로 대향되는 자극들 사이에 입사되는 것인 분석용 전자석으로서, 각각의 자극은 이온 빔의 진행방향을 따라 3개 이상의 홀수 개의 부분 자극으로 분할되며, 이온 빔의 입구로부터 셀 때 홀수 번째인 부분 자극 쌍의 간격은 만곡부의 바깥쪽을 향해 넓어지고, 이온 빔의 입구로부터 셀 때 짝수 번째인 부분 자극 쌍의 간격은 만곡부의 안쪽을 향해 넓어진다.
상기 분석용 전자석에서, 부분 자극 쌍의 간격은 전술한 방식으로 넓어지므로, 각각의 간격에서의 자력선의 팽출은 커지며, 각각의 간격에서의 자속 밀도는 y 방향으로 균일하지 않게 된다. 따라서, 리본형 이온 빔에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘에 있어서, 상기 간격의 중앙으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘이 중앙 부근에서의 힘보다 더 큰 것인 제1 불균일 분포가 생성된다.
반대로, 각각의 간격에서의 자력선의 팽출이 증가하면, 상기 간격의 중앙 부근의 힘이 중앙으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘보다 큰 것인 제2 불균일 분포가, 리본형 이온 빔에 인가되는 로렌츠 힘의 x 방향 성분에 대해 형성된다.
부분 자극 쌍의 간격에서는 제1 불균일 분포와 제2 불균일 분포의 로렌츠 힘 모두가 이온 빔에 인가된다. 상기 분포들에서의 크기 관계는 서로 반대이다. 따라서, 상기 분포들이 서로 조합되는 경우, 리본형 이온 빔에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘의 분포의 불균일도는 줄어들 수 있다. 결과적으로, 이온 빔에 인가되는 로렌츠 힘의 차이에 의해 전술한 바와 같이 통과하는 이온 빔이 왜곡되는 것은 줄어들 수 있다. 이러한 작용은 각각의 부분 자극 쌍에서 이루어진다.
전술한 바와 같이, 각각의 자극은 3개 이상의 홀수 개의 부분 자극 쌍으로 분할되며, 이 부분 자극 쌍의 간격을 넓히는 방식은 교대로 반대가 된다. 따라서, 분석용 전자석으로부터 출사되는 이온 빔의 y 방향으로의 발산 또는 수렴이 억제될 수 있으며, 출사되는 이온 빔의 y 방향의 치수는 입사되는 이온 빔의 치수에 근접하게 될 수 있다.
전술한 바와 반대로, 제2 발명에 따른 분석용 전자석에서는, 이온 빔의 입구로부터 셀 때 홀수 번째 부분 자극 쌍의 간격이 만곡부의 안쪽을 향해 넓어질 수도 있으며, 이온 빔의 입구로부터 셀 때 짝수 번째 부분 자극 쌍의 간격은 만곡부의 바깥쪽을 향해 넓어질 수도 있다.
제3 발명에 따른 분석용 전자석에서는, 3개 이상의 홀수 개의 부분 자극 쌍 중 하나 이상의 간격은 복수의 단계로 넓어질 수도 있다.
제4 발명에 따른 분석용 전자석에서 각각의 자극의 분할수(division number)는 3인 것이 바람직하다.
제1 발명과 제2 발명에 따르면, 부분 자극 쌍의 간격이 전술한 바와 같이 넓어지므로, 부분 자극 쌍의 간격에서 리본형 이온 빔에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘 분포의 불균일도는 줄어들 수 있다. 결과적으로, 출사되는 리본형 이온 빔의 왜곡은 줄어들 수 있다. 또한, 이것은 상대적으로 간단한 구조에 의해 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 자극은 3개 이상의 홀수 개의 부분 자극 쌍으로 분할되고 부분 자극 쌍의 간격을 넓히는 방식은 교대로 반대가 되며, 이에 따라 분석용 전자석으로부터 출사되는 이온 빔의 y 방향의 발산 또는 수렴은 억제될 수 있고, 출사되는 이온 빔의 y 방향의 치수는 입사되는 이온 빔의 치수에 근접하게 될 수 있다. 또한, 전술한 두 가지 치수 모두가 실질적으로 서로 동일하며 거의 평행한 이온 빔을 출사하는 것이 가능하다.
제1 발명에서, 입사되는 이온 빔은 우선 제1 부분 자극 쌍에 의해 수렴된다. 입사되는 이온 빔이 우선 제1 부분 자극 쌍에 의해 발산되는 제2 발명과 비교할 때, 부분 자극 쌍의 y 방향의 간격 길이는 입사되는 이온 빔의 y 방향의 치수에 상응하는 길이보다 길 필요가 없다. 결과적으로, 분석용 전자석이 소형화될 수 있다는 장점이 있다.
제3 발명에 따르면, 상기 간격이 복수의 단계로 넓어지는 부분 자극 쌍에서 자기장의 분포는 보다 세밀하게 조절될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔의 형상의 조절이 보다 용이할 수 있다는 추가적인 장점이 있다.
제4 발명에 따르면, 분할수는 최소가 될 수 있으므로, 분석용 전자석은 가장 간단한 구조를 가질 수 있다.
다른 특징 및 장점들은 이후의 상세한 설명, 첨부 도면 및 청구범위로부터 분명해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 분석용 전자석의 실시예를 도시하는 평면도이다. 도 11 및 도 12에 도시된 관련 기술의 예의 구성요소와 동일하거나 상응하는 구성요소는 동일한 도면 부호로 표현되며, 이후 설명은 관련 기술의 예와의 차이점에 중점을 둘 것이다.
분석용 전자석 40은 관련 기술의 분석용 전자석 4를 구성하는 자극 8을 대신하여 자극 80을 포함한다. y 방향으로 연장되는 리본 형상을 갖는 이온 빔(2)은 자극(80)의 간격에 입사된다. 각각의 자극(80)의 평면도 상의 형상은 부채꼴 형상으로 만곡된다. 분석용 전자석(40)을 통과하는 이온 빔(2)의 중심 궤적은 도면 부호 2d로 나타낸다. 본 실시예에서, 자극(80)에 대한 이온 빔(2)의 입사각(α)과 자극(80)으로부터의 이온 빔(2)의 출사각(β)은 모두 실질적으로 90 도와 동일하게 설정된다.
본 실시예에서, 각각의 자극(80)은 이온 빔(2)의 진행방향(z)을 따라 3개의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)으로 분할된다. 코일(14)은 3개의 부분 자극 쌍(81, 82, 83) 둘레에 일괄적으로 감기고 3개의 부분 자극 쌍에 공통이다(이후 설명되는 다른 실시예에도 동일하게 적용됨). 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)은 y 방향의 간격(12)을 통해 서로 대향하는 상부 부분 자극과 하부 부분 자극의 쌍을 포함한다. y 방향으로 연장되는 리본 형상을 갖는 이온 빔(2)은 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격을 통과한다. 이온 빔(2)의 경로는 비자성 재료로 제작된 진공 용기(18)에 의해 둘러싸이며, 진공 분위기로 유지된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 홀수 번째 부분 자극 쌍의 간격(12), 즉 실시예에서 제1 부분 자극 쌍(81)과 제3 부분 자극 쌍(83) 의 간격은 부채꼴 형상의 만곡부(즉, 곡률 반경)의 바깥쪽(도 2의 좌측)을 향해 넓어진다. 즉, 상기 간격(12)의 y 방향의 간격 길이(G)는 만곡부의 안쪽에서보다 바깥쪽에서 점진적으로 증가한다. 본 실시예에서는, 부분 자극 쌍(81, 83)의 간격이 동일한 형상을 갖기 때문에 이들 간격은 도 2에 동일한 것으로 도시되어 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 부분 자극 쌍(81, 83)의 간격(12) 각각은 3단계로 넓어진다. 즉, 내측 단부 a로부터 내측 단부를 기준으로 약간 바깥쪽으로 떨어진 위치 b까지의 영역에서는 x 방향으로 서로 평행하게 되도록, 위치 b로부터 위치 b를 기준으로 약간 바깥쪽으로 떨어진 위치 c까지의 영역에서는 y 방향으로 큰 각도로 수직 경사지도록, 위치 c로부터 위치 c를 기준으로 약간 바깥쪽으로 떨어진 위치 d까지의 영역에서는 y 방향으로 중간 각도로 수직 경사지도록, 그리고 위치 d로부터 외측 단부 e까지의 영역에서는 y 방향으로 작은 각도로 수직 경사지도록 부분 자극 쌍(81, 83)의 상하 대향면(70)이 형성된다. 상하 대향면(70)은 상기 간격(12)의 중앙(12a)을 중심으로 축대칭인 형상을 갖는다.
반대로, 도 3에 도시된 바와 같이, 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 짝수 번째인 부분 자극 쌍의 간격(12), 즉 실시예에서 제2 부분 자극 쌍(82)의 간격은 부채꼴 형상의 만곡부의 안쪽(도 3의 우측)을 향해 넓어진다. 즉, 상기 간격(12)의 y 방향의 간격 길이(G)는 만곡부의 바깥쪽에서보다 안쪽에서 점진적으로 증가한다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 부분 자극 쌍(82)의 간격(12)은 2단계로 넓어진다. 즉, 부분 자극 쌍(82)의 상하 대향면(70)은, 외측 단부 f로부터 외측 단부를 기준으로 안쪽으로 약간 떨어진 위치 g까지의 영역에서는 서로 x 방향으로 실 질적으로 평행하게, 위치 g로부터 위치 g를 기준으로 안쪽으로 약간 떨어진 위치 h까지의 영역에서는 y 방향으로 큰 각도로 수직 경사지도록, 그리고 위치 h로부터 내측 단부 i까지의 영역에서는 y 방향으로 작은 각도로 수직 경사지도록 형성된다. 상하 대향면(70)은 상기 간격(12)의 중앙(12a)을 중심으로 축대칭인 형상을 갖는다.
각각의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)은 다음의 이유 때문에, (a) 둘레에 코일(14)이 감겨있고 y 방향의 내측면이 x 방향으로 연장되는 (예컨대, 서로 거의 평행한) 자극 쌍 및 (b) 각각의 자극 쌍의 y 방향의 내측에 부착되며, 대향면(70)은 전술한 방식으로 넓어지는 간격(12)을 형성하도록 전술한 방식으로 넓어지는(이후 설명하는 다른 실시예에도 동일하게 적용됨) 것인 하나 이상의 자극 부재에 의해 구성될 수도 있다. 부분 자극 쌍이 전술한 바와 같이 구성되는 경우에도, 부분 자극 쌍은 자기 회로와 실질적으로 동일한 방식으로 기능을 수행한다.
부분 자극 쌍(81, 83)의 간격(12)이 전술한 방식으로 넓어지기 때문에, 각각의 간격(12)에서의 자력선(16)의 바깥쪽으로의 팽출은 도 2에 도시된 바와 같이 커진다. 따라서, 각각의 간격(12)에서의 자속 밀도(B)는 상기 간격(12)의 중앙(12a) 부근에서 상대적으로 작고, 상기 중앙(12a)으로부터 더 수직 이격될수록 자속 밀도가 상대적으로 커지므로, 자속 밀도(B)는 y 방향으로 균일하지 않다.
자속 밀도(B)의 비균일성 때문에, 도 4에 예시된 바와 같이, 부분 자극 쌍(81, 83)의 각각의 간격(12)의 중앙(12a)으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘이 중앙 부근에서의 힘보다 더 큰 것인 제1 비균일 분포가, 상기 간 격(12)을 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘(Fx)에 대해 형성된다.
반대로, 부분 자극 쌍(81, 83)의 간격(12)에서의 자력선(16)의 바깥쪽으로의 팽출이 커지기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 간격(12) 각각의 중앙(12a) 부근의 힘이 상기 중앙으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘보다 큰 것인 제2 비균일 분포가, 리본형 이온 빔에 인가되는 로렌츠 힘(F)의 x 방향 성분(Fx)에 대해 형성된다.
이온 빔(2)은 부분 자극 쌍(81, 83)의 간격(12)에서 제1 비균일 분포와 제2 비균일 분포의 로렌츠 힘(Fx)을 함께 받는다. 상기 분포들에서 크기는 서로 반대 관계이다. 따라서, 이들 분포가 서로 조합되는 경우, 리본형 이온 빔(2)에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘(Fx) 분포의 y 방향에 있어서의 비균일성은 줄어들 수 있다. 결과적으로, 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘의 차이에 의해 전술한 바와 같이 통과하는 이온 빔(2)이 아치형으로 왜곡되는 것은 줄어들 수 있다. 이러한 작용은 각각의 부분 자극 쌍(81, 83)에서 이루어진다.
또한, 부분 자극 쌍(82)에 있어서 그 간격(12)은 전술한 방식으로 넓어지기 때문에, 상기 간격(12)에서 자력선(16)의 안쪽으로의 팽출은 도 3에 도시된 바와 같이 커지게 된다. 따라서, 상기 간격(12)에서의 자속 밀도(B)는 상기 간격(12)의 중앙(12a) 부근에서 상대적으로 작고, 상기 중앙(12a)으로부터 더 수직 이격됨에 따라 자속 밀도(B)는 상대적으로 더 커지게 되어, 자속 밀도는 y 방향으로 균일하 지 않다.
자속 밀도(B)의 비균일성 때문에, 도 4에 예시된 바와 동일한 방식으로, 부분 자극 쌍(82)의 간격(12)의 중앙(12a)으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘이 상기 중앙 부근의 힘보다 더 큰 것인 제1 비균일 분포가, 상기 간격(12)을 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘(Fx)에 대해 형성된다.
반대로, 부분 자극 쌍(82)의 간격(12)에서 자력선(16)의 안쪽으로의 팽출이 커지기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 간격(12)의 중앙(12a) 부근에서의 힘이 상기 중앙으로부터 y 방향으로 수직 이격된 위치에서의 힘보다 더 큰 것인 제2 비균일 분포가, 리본형 이온 빔에 인가되는 로렌츠 힘(F)의 x 방향 성분(Fx)에 대해 형성된다.
이온 빔(2)은 부분 자극 쌍(82)의 간격(12)에서 제1 비균일 분포와 제2 비균일 분포의 로렌츠 힘(Fx)을 모두 받는다. 이들 분포에서의 크기는 서로 반대 관계이다. 따라서, 이들 분포가 서로 조합되는 경우, 리본형 이온 빔(2)에 인가되는 x 방향의 로렌츠 힘(Fx) 분포의 y 방향에서의 비균일성은 줄어들 수 있다. 결과적으로, 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘의 차이에 의해 전술한 바와 같이 통과하는 이온 빔(2)이 아치형으로 왜곡되는 것은 줄어들 수 있다. 이러한 작용은 부분 자극 쌍(82)에서 이루어진다.
분석용 전자석(40)에 따르면, 부분 자극 쌍(81, 82, 83)에서, 전술한 바와 같이, 부분 자극 쌍을 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘(Fx)의 차이에 의한 이온 빔(2)의 전술한 왜곡은 줄어들 수 있다. 이러한 작용은, 예컨대 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격(12)을 넓힘으로써, 그리고 이온 빔의 진행 방향(z)으로 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 길이를 길게 함으로써 [후술할 분석용 전자석(40a)과 같은 다른 실시예에 동일하게 적용됨] 조절될 수 있다. 결과적으로, 분석용 전자석(40)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 전술한 왜곡은 줄어들고, 거의 직선인 이온 빔(2)이 출사될 수 있다.
따라서, 이온 빔(2)의 형상 왜곡에 의한 전술한 문제들은 예방될 수 있다. 즉, 원하는 이온 화학종의 양이 늘어날 수 있으며, 해상도가 향상될 수 있다. 또한 조준 과정의 균일도가 향상될 수 있다.
또한, 자극(80)의 전술한 구조는 특허 문헌 2에 개시된 자극 구조보다 더 간단하다. 따라서, 리본형 이온 빔(2)의 전술한 왜곡은 상대적으로 간단한 구조에 의해 줄어들 수 있다.
다음으로, 각각의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)에서 이온 빔(2)이 y 방향으로 발산하고 수렴하는 것을 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 부분 자극 쌍(81, 83)의 각각의 간격(12)에서, 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘(F)의 y 방향 성분(Fy)은 상기 간격(12)의 중앙(12a)을 향하게 되므로, 이온 빔(2)은 y 방향으로 수렴하게 하는 힘을 받는다. 즉, 부분 자극 쌍(81, 83)은 이온 빔(2)을 y 방향으로 수렴하게 하는 기능을 수행한다. 도 7에서는 부분 자극 쌍(81, 83)을 볼록 렌즈로서 모식적으로 표시한다.
반대로, 도 6에 도시된 바와 같이, 부분 자극 쌍(82)의 간격(12)에서, 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘(F)의 y 방향 성분(Fy)은 상기 간격(12)의 중앙(12a)에 대향하는 쪽으로 향하게 되므로, 이온 빔(2)은 y 방향으로 발산하게 하는 힘을 받는다. 즉, 부분 자극 쌍(82)은 이온 빔(2)을 y 방향으로 발산하게 하는 기능을 수행한다. 도 7에서는 부분 자극 쌍(82)을 오목 렌즈로서 모식적으로 표시한다.
따라서, 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격(12)이 전술한 바와 같이 넓어지는 경우, 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘의 차이에 의해 전술한 바와 같이 통과하는 이온 빔(2)이 아치형으로 왜곡되는 것은 줄어들 수 있다. 동시에, 이온 빔(2)은 y 방향으로 수렴하게 하는 힘 또는 발산하게 하는 힘을 받는다.
그러나, 분석용 전자석(40)에서, 각각의 자극(80)은 전술한 바와 같이 3개의 부분 자극 쌍으로 분할되며 이 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격을 넓히는 방식은 교대로 반대가 된다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 입사되는 이온 빔(2)은 우선 제1 부분 자극 쌍(81)에 의해 수렴되고, 이후 제2 부분 자극 쌍(82)에 의해 발산되며, 또한 제3 부분 자극 쌍(83)에 의해 수렴된다. 결과적으로, 분석용 전자석(40)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 발산 또는 수렴이 억제될 수 있으며, 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy2)는 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)에 근접하게 될 수 있다. 이러한 작용은, 예컨대 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격(12)을 넓힘으로써, 그리고 이온 빔의 진행 방향(z)으로 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 길이를 길게 함으로써 [후술할 분석용 전자석(40a)과 같은 다른 실시예에 동일하게 적용됨] 조절될 수 있다. 또한, 결과적으로 각 치수들(Wy1, Wy2)이 서로 실질적으로 동일하면서 거의 평행한 이온 빔(2)을 출사하는 것이 가능하다.
각각의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)에서, 이온 빔(2)은 상기 간격(12)의 자력선(16)의 팽출을 이용하여 수렴될 수 있거나 발산될 수 있다. 따라서, 분석용 전자석(40)에서는, 입사각(α) 및 출사각(β)을 90 도 이외의 각으로 설정함으로써 유발되는 가장자리 초점을 사용하지 않는 것도 가능하다. 결론적으로, 분석용 전자석(40)에서, 입사각(α) 및 출사각(β)은 실질적으로 90 도와 동일하게 설정된다. 이는 이후에 설명할 분석용 전자석(40a)에도 동일하게 적용된다.
각각의 자극(80)을 3개 이상의 홀수 개의 부재로 분할함으로써 얻은 부분 자극 쌍의 간격(12)을 넓히는 방식의 순서는 반대가 될 수도 있다. 분할수가 3인 예를 참조하여 이것을 설명한다. 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 홀수 번째인 부분 자극 쌍의 간격(12), 즉 제1 부분 자극 쌍과 제3 부분 자극 쌍의 간격은 만곡부의 안쪽을 향해 넓어진다. 부분 자극 쌍은 도면 부호 81a 및 83a로 표시된다. 예를 들면, 부분 자극 쌍(81a, 83a)은 도 3에 도시된 부분 자극 쌍(82)과 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 부분 자극 쌍(82)과 기능이 동일하기 때문에, 부분 자극 쌍(81a, 83a)은 도 8에서 오목 렌즈로서 모식적으로 나타낸 바와 같이 이온 빔(2)을 y 방향으로 발산하게 하는 기능을 수행한다.
반대로, 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 짝수 번째 부분 자극 쌍의 간격(12), 즉 제2 부분 자극 쌍의 간격은 만곡부의 바깥쪽을 향해 넓어진다. 이 부분 자극 쌍은 도면 부호 82a로 나타낸다. 예를 들면, 부분 자극 쌍(82a)은 부분 자극 쌍(81 또는 83)과 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 부분 자극 쌍(81 또는 83)과 기능이 동일하기 때문에, 부분 자극 쌍(82a)은 도 8에 볼록 렌즈로 모식적으로 나타낸 바와 같이 이온 빔을 y 방향으로 수렴하게 하는 기능을 수행한다.
부분 자극 쌍(81a, 82a, 83a)을 구비하는 도 8에 도시된 분석용 전자석 40a는 분석용 전자석 40의 기능과 거의 유사한 기능을 가지며 이를 수행한다.
즉, 입사되는 이온 빔(2)은 우선 제1 부분 자극 쌍(81a)에 의해 발산될 수 있으며, 이후 제2 부분 자극 쌍(82a)에 의해 수렴되고, 또한 제3 부분 자극 쌍(83a)에 의해 발산된다. 결과적으로, 분석용 전자석(40a)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향으로의 발산 또는 수렴은 억제될 수 있으며, 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy2)는 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)에 근접하게 된다. 결과적으로, 이들 치수(Wy1, Wy2)가 서로 실질적으로 동일하면서 거의 평행한 이온 빔(2)을 출사하는 것이 가능하다.
부분 자극 쌍(81a, 82a, 83a)에서는, 부분 자극 쌍(81, 82, 83)과 동일한 기능에 의해, 통과하는 이온 빔(2)에 인가되는 로렌츠 힘의 차이에 의한 이온 빔(2)의 전술한 아치형 왜곡이 줄어들 수 있다. 결과적으로, 분석용 전자석(40a)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 전술한 왜곡이 줄어들고, 거의 직선인 이온 빔이 출사될 수 있다.
분석용 전자석들(40, 40a) 사이의 기능과 효과상의 차이점을 설명한다. 분석용 전자석(40)에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 입사되는 이온 빔(2)이 우선 제1 부분 자극 쌍(81)에 의해 수렴된다. 반대로, 분석용 전자석(40a)에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 입사되는 이온 빔(2)이 우선 제1 부분 자극 쌍(81a)에 의해 발산된다. 따라서, 분석용 전자석(40a)의 경우에는, 부분 자극 쌍(82a) 등의 y 방향의 간격 길이(G)가 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)에 상응하는 길이보다 더 길어야만 한다. 반대로, 분석용 전자석(40)의 경우에는, 상기 길이가 이러한 방식으로 설정될 필요가 없다. 결과적으로, 분석용 전자석 40은 분석용 전자석 40a와 비교할 때 더 소형화될 수 있다.
출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 발산 또는 수렴을 억제할 수 있는 기능 및 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy2)가 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향 치수(Wy1)에 근접하게 할 수 있는 기능은, 각각의 자극(80)을 3개 이상의 홀수 개인 부재로 분할하고 부분 자극 쌍의 간격을 넓히는 방식이 전술한 바와 같이 교대로 반대가 되게 하는 구조 이외의 구조에 의해서는 달성될 수 없다.
각각의 자극(80)이 짝수 개의 부재, 또는 예컨대 2개의 부재 즉 도 9에 도시된 부분 자극 쌍들(81, 82)로 분할되는 경우에는, 예를 들어 부분 자극 쌍(82)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 발산 또는 수렴이 억제될 수 있지만, 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy2)가 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)보다 더 작 다. 상기 구조에 따르면, 예를 들어 (a) 출사되는 이온 빔(2)의 빔 전류 밀도가 입사되는 이온 빔(2)의 빔 전류 밀도보다 커지는 문제 및 (b) 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)를 추정하는 전체 조준면이 상기 이온 빔에 의해 조사될 수 없는 등의 문제가 발생한다. 또한, 분할수가 4이상의 짝수인 경우에도, 유사한 문제가 발생한다.
2개의 부재 즉 도 10에 도시된 부분 자극 쌍(81a, 82a)의 경우에는, 예를 들어 부분 자극 쌍(82a)으로부터 출사되는 이온 빔(2)의 발산 또는 수렴이 억제될 수 있지만, 출사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy2)가 입사되는 이온 빔(2)의 y 방향의 치수(Wy1)보다 더 크다. 상기 구조에 따르면, 예를 들어 (a) 출사되는 이온 빔(2)의 빔 전류 밀도가 입사되는 이온 빔(2)의 빔 전류 밀도보다 더 작게 되는 문제 및 (b) 출사되는 이온 빔(2)의 충돌이 발생하지 않도록 빔 라인의 치수를 줄여야만 하는 등의 문제가 발생한다. 또한, 분할수가 4이상의 짝수인 경우에도 유사한 문제가 발생한다.
분할수가 홀수이고 1인 경우[이는 자극(80)이 분할되지 않은 경우와 같음]에는, 도 9에 도시된 부분 자극 쌍(81)만이 배치된 경우 또는 도 10에 도시된 부분 자극 쌍(81a)만이 배치된 경우와 동일하며, 출사되는 이온 빔(2)은 수렴되거나 발산된다. 어떠한 경우에도, 정상적으로 이온 빔(2)을 전달하기가 어렵게 되는 문제와 같은 문제가 발생한다.
전술한 이유들 때문에, 각각의 자극(80)의 분할수를 1 또는 짝수로 설정하는 것은 바람직하지 않다.
각각의 자극(80)의 분할수는 5이상의 홀수로 설정할 수도 있다. 이러한 경우는, 예컨대 도 7에 도시된 부분 자극 쌍(82, 83)이 복수의 세트로 반복적으로 배치되는 경우와 동일하다. 전술한 경우에는, 분석용 전자석(40)에서와 동일한 효과들을 얻을 수 있다. 대안으로, 위의 경우는 도 8에 도시된 부분 자극 쌍(82a, 83a)이 복수의 세트로 반복적으로 배치되는 경우와 동일하다. 또한, 전술한 경우에는, 분석용 전자석(40a)에서와 동일한 효과들을 얻을 수 있다.
그러나, 각각의 자극(80)의 분할수가 3인 경우에는 분할수가 가장 작으면서도 전술한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이 경우에는 분석용 전자석(40 또는 40a)을 가장 간단한 방식으로 구성할 수 있다.
분석용 전자석(40)에서 각각의 부분 자극 쌍(81, 82, 83)의 간격(12)이, 예컨대 실시예에 도시된 바와 같이 복수의 단계로 넓어지는 경우, 자기장의 분포는 보다 세밀하게 조절될 수 있다. 결과적으로, 이온 빔(2)의 형상의 조절이 보다 용이할 수 있다. 모든 부분 자극 쌍(81, 82, 83)을 전술한 바와 같이 구성하는 구조 대신에, 부분 자극 쌍 중 하나 이상을 전술한 바와 같이 구성하는 구조가 채택될 수도 있다. 또한, 이러한 구조에서 전술한 효과를 얻는 것이 가능하다. 그러나, 모든 부분 자극 쌍(81, 82, 83)을 전술한 바와 같이 구성하는 구조가 바람직한데, 이는 더 많은 부분 자극 쌍에서 전술한 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 이상의 내용은, 도 8을 참조하여 설명되었고 분석용 전자석(40)을 구성하는 부분 자극 쌍(81a, 82a, 83a)에도 적용 가능하다.
각각의 부분 자극 쌍의 간격(12)이 복수의 단계로 넓어지는 구조 대신에, 상기 간격이 선형적인 방식, 상기 중앙(12a)을 향해 볼록하게 만곡되는 방식, 또는 상기 중앙(12a)을 향해 오목하게 만곡되는 방식으로 넓어지는 구조가 채택될 수도 있다. 복수의 부분 자극 쌍에 있어서는, 이들 형상이 조합되어 채택될 수도 있다.
이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 홀수 번째인 부분 자극 쌍에서는 동일한 형상의 간격(12)이 채택될 수도 있으며, 또는 상이한 형상의 간격(12)이 채용될 수도 있다. 이상의 내용은, 이온 빔(2)의 입구로부터 셀 때 짝수 번째인 부분 자극 쌍에도 적용 가능하다.
코어(6)는 C와 같은 단면 형상을 가질 수도 있다.
한정된 수의 실시예에 대해 본 발명을 설명하였지만, 이 개시 내용의 이익을 취하는 당업자는 본 발명의 상세한 설명에 개시된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예를 고안할 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되어야 한다.
본 발명에 따르면, 관련 기술에 비해 상대적으로 간단한 구조를 통해 로렌츠 힘에 의한 리본형 이온 빔의 왜곡을 줄일 수 있는 분석용 전자석을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 이온 빔의 진행방향과 교차하는 평면에서의 y 방향의 치수가, 상기 y 방향에 수직인 x 방향의 치수보다 큰 리본 형상을 갖는, 이온 빔의 운동량 분석을 수행하기 위한 분석용 전자석으로서,
    상기 이온 빔의 진행방향을 따라 만곡부를 형성하며, 상기 y 방향으로 간격을 두고 서로 대향하며 그 사이로 상기 이온 빔이 입사되는 것인 자극들(magnetic poles)을 포함하고,
    상기 자극 각각은 상기 이온 빔의 진행방향을 따라 3개 이상의 홀수개인 부분 자극들로 분할되며, 상기 이온 빔의 입구로부터 셀 때 홀수 번째 부분 자극 쌍들의 y 방향으로의 간격은 만곡부의 바깥쪽을 향해 커지고, 상기 이온 빔의 상기 입구로부터 셀 때 하나 이상의 짝수 번째 부분 자극 쌍에 대응하는 각각의 y 방향으로의 간격은 상기 만곡부의 안쪽을 향해 커지는 것인 분석용 전자석.
  2. 이온 빔의 진행방향과 교차하는 평면에서의 y 방향의 치수가, 상기 y 방향에 수직인 x 방향의 치수보다 큰 리본 형상을 갖는, 이온 빔의 운동량 분석을 수행하기 위한 분석용 전자석으로서,
    상기 이온 빔의 진행방향을 따라 만곡부를 형성하며, 상기 y 방향으로 간격을 두고 서로 대향하며 그 사이로 상기 이온 빔이 입사되는 것인 자극들(magnetic poles)을 포함하고,
    상기 자극 각각은 상기 이온 빔의 진행방향을 따라 3개 이상의 홀수개인 부분 자극들로 분할되며, 상기 이온 빔의 입구로부터 셀 때 홀수 번째 부분 자극 쌍들의 y 방향으로의 간격은 만곡부의 안쪽을 향해 커지고, 상기 이온 빔의 상기 입구로부터 셀 때 하나 이상의 짝수 번째 부분 자극 쌍에 대응하는 각각의 y 방향으로의 간격은 상기 만곡부의 바깥쪽을 향해 커지는 것인 분석용 전자석.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 3개 이상인 홀수 개의 부분 자극 쌍들 중 하나 이상의 간격은 복수의 단계로 커지는 것인 분석용 전자석.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자극 각각의 분할수는 3인 것인 분석용 전자석.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자극 각각의 분할수는 5 이상의 홀수인 것인 분석용 전자석.
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  7. 삭제
  8. 삭제
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