WO2010143479A1 - イオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法 - Google Patents

イオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法 Download PDF

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ダン ニコラエスク
滋樹 酒井
順三 石川
康仁 後藤
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日新イオン機器株式会社
国立大学法人京都大学
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Definitions

  • the present invention relates to an ion beam irradiation apparatus for irradiating a target with an ion beam extracted from an ion source to perform processing such as ion implantation, and more particularly to an ion beam having a function of suppressing divergence of an ion beam due to a space charge effect.
  • the present invention relates to an irradiation apparatus and an ion beam divergence suppressing method.
  • an ion source that generates an ion beam, a deflection magnet for deflecting the ion beam from the ion source, and the deflection magnet are configured.
  • the present invention has been made to solve the above problems all at once, while making effective use of the space in the vicinity of the magnet, where the arrangement of the conventional parts is restricted, makes a special magnetic pole structure unnecessary. Therefore, it is a main aim to improve the use efficiency of electrons and efficiently suppress the spread of the ion beam due to the space charge effect.
  • an ion beam irradiation apparatus is an ion beam irradiation apparatus that irradiates a target with an ion beam, and is provided between an ion source that generates an ion beam composed of positive ions, and the ion source and the target.
  • the electron source is disposed in the magnetic field gradient region formed by the magnet, and is disposed outside the region through which the ion beam passes, and the electrons are supplied to the magnetic field gradient region. Therefore, the supplied electrons can be confined in the magnetic field gradient region by the mirror effect of the magnetic field gradient. As a result, an electron cloud can be formed upstream or downstream of the ion beam of the magnet, and the divergence of the ion beam can be suppressed by the space charge effect. Further, since the electron source is provided in the vicinity of the magnet, a special magnetic pole structure can be eliminated by effectively utilizing the space in the vicinity of the magnet.
  • the magnet has a pair of parallel magnetic pole planes provided so as to sandwich the ion beam, in order to supply electrons into the magnetic field gradient region formed by the magnetic pole plane, It is desirable that the electron emission direction is substantially perpendicular to the magnetic pole plane so as to face the magnetic pole plane facing the magnetic pole plane, or outward from the deflection magnet.
  • the electron emission direction of the electron source is a tangential direction of the magnetic field in the magnetic field gradient region.
  • the magnet has a collimating magnet that substantially parallelizes the ion beam by a pair of parallel magnetic pole planes
  • a source is provided in a magnetic field gradient region formed by the collimating magnet, and the electron source is formed outside the collimating magnet with B 0 being a magnetic flux density generated between the magnetic pole planes of the collimating magnet.
  • B the magnetic flux density in the magnetic field gradient region
  • the magnetic field gradient region is provided in the magnetic field gradient region that satisfies the relationship of 0 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.72.
  • the electron source in order to confine sufficient electrons in the magnetic field gradient region and efficiently supply electrons to the ion beam, the electron source satisfies the relationship 0.12 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.36. It is preferable that it is provided in the inside.
  • the electron source includes: When the maximum value of the magnetic flux density generated between a pair of parallel magnetic pole planes constituting the compensating magnet is B 0 and the magnetic flux density in the magnetic field gradient region formed outside the compensating magnet is B, 0 ⁇ B It is desirable that the magnetic field gradient region satisfy the relationship / B 0 ⁇ 1.
  • the electron source in order to confine sufficient electrons in the magnetic field gradient region and efficiently supply electrons to the ion beam, the electron source satisfies a magnetic field gradient satisfying a relationship of 0.30 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.80. It is preferable to be provided in the region.
  • the electron source is disposed in a plane substantially parallel to a pair of magnetic pole planes constituting the magnet.
  • the magnet be disposed along the upstream side surface and / or the downstream side surface of the ion beam.
  • the electron beam has two or more electron sources, and these electron sources sandwich the ion beam. It is desirable to be arranged at.
  • the electron source is a field emission electron source.
  • the ion beam divergence suppressing method is an ion beam divergence suppressing method for suppressing divergence of an ion beam by a space charge effect in an ion beam irradiation apparatus that irradiates a target with an ion beam, the ion beam irradiation apparatus Is provided between an ion source that generates an ion beam composed of positive ions and the ion source and the target, and deflects, converges, or diverges 1 to irradiate the target with the ion beam emitted from the ion source.
  • a plurality of magnets and one or more electron sources that generate electrons are arranged in a magnetic field gradient region formed on the upstream side and / or downstream side of the ion beam in the magnet. , And arranged outside the region through which the ion beam passes to supply electrons from the electron source into the magnetic field gradient region. And wherein the Rukoto.
  • the space for the use of electrons is improved while eliminating the need for a special magnetic pole structure.
  • the spread of the ion beam due to the charge effect can be efficiently suppressed.
  • the + P 31 ion is a diagram showing the magnetic field region in the collimator magnet for collimating. It is a simulation result of the confinement of electrons regarding the distance of a collimating magnet and an electron source. It is a simulation result showing the position of the collimator magnet and an electron source with a value of B / B 0. It is a figure which shows the relationship between arrangement
  • Electrons are diagrams illustrating simulation results of electron motion along the direction of a magnetic field. It is a simulation result which shows the electron motion in the magnetic field gradient area
  • the design traveling direction of the ion beam IB irradiated onto the target W is substantially orthogonal to each other in the X direction and a plane substantially orthogonal to the X direction.
  • Two directions are defined as a Y direction and a Z direction.
  • the units of the X, Y, and Z axes described in FIGS. 10 to 16, 19 to 23, and 27 to 31 referred to in the following description are mm.
  • An ion beam irradiation apparatus 100 is provided between an ion source 2 that generates an ion beam made of positive ions and the ion source 2 and a target W, as shown in a schematic overall view of FIG.
  • a plurality of magnets that deflect, converge, or diverge the ion beam IB with a generated magnetic field are provided.
  • the ion beam irradiation apparatus 100 includes, as magnets, a mass separator 3 for mass-separating the ion beam IB extracted from the ion source 2, and an energy separator 4 for energy-separating the ion beam IB.
  • the scanner 5 for scanning the ion beam IB in the Y direction (for example, the horizontal direction), the beam collimator 6 for converting the ion beam IB scanned by the scanner 5 into a parallel beam, the scanner 5 and the beam
  • a compensator 7 is provided between the collimators 6 and compensates for the divergence of the ion beam IB in the Z direction to improve the transport efficiency of the ion beam IB.
  • An accelerator / decelerator 8 for accelerating or decelerating the ion beam IB as necessary is provided between the mass separator 3 and the energy separator 4. Further, between the beam collimator 6 and the target W, there is provided a mask 9 that has an aperture through which the ion beam IB passes and shapes the ion beam IB. Thereby, an unnecessary skirt portion in the Y direction of the ion beam IB is cut.
  • the mass separator 3 is a mass separation magnet that performs mass separation of the ion beam IB by a magnetic field.
  • the energy separator 4 is an energy separation magnet that performs energy separation of the ion beam IB using a magnetic field.
  • the scanner 5 is a scanning magnet that scans the ion beam IB with a magnetic field.
  • the beam collimator 6 is a collimator magnet that collimates the ion beam IB with a magnetic field.
  • the compensator 7 is a compensation magnet that compensates for the divergence of the ion beam IB in the Z direction by a magnetic field.
  • the accelerator / decelerator 8 is an acceleration / deceleration tube that has a plurality of electrodes and accelerates / decelerates the ion beam IB by an electrostatic field.
  • the magnets 3 to 7 may be composed of electromagnets or permanent magnets.
  • the ion beam irradiation apparatus 100 configured in this manner is configured to irradiate the target W held by the holder 10 with the ion beam IB and to perform processing such as ion implantation on the target W.
  • the trajectory of the ion beam IB is configured to be maintained in a vacuum atmosphere. In some cases, the mass separator 2 is not provided.
  • the apparatus 100 is also referred to as an ion implantation apparatus.
  • the ion beam IB irradiated to the target W has a shape in which the dimension in the Y direction (for example, the longitudinal direction) is larger than the dimension in the Z direction orthogonal to the Y direction.
  • the ion beam IB having such a shape may be called a ribbon-like, sheet-like, or belt-like ion beam.
  • the dimension in the Z direction is as thin as paper.
  • the dimension in the Y direction is about 350 mm to 400 mm
  • the dimension in the Z direction is about 80 mm to 100 mm.
  • the target W is, for example, a semiconductor substrate or a glass substrate.
  • the target W is held by the holder 10 and mechanically reciprocated back and forth (mechanical scan) along the Z direction by a target driving device (not shown).
  • the dimension W Y in the Y direction of the ion beam IB is slightly larger than the dimension in the same direction of the target W, and the ion beam IB can be irradiated onto the entire surface of the target W by this and the reciprocating drive.
  • a plurality of electron sources 11 that generate electrons are provided in the vicinity of the collimating magnet 6 and the compensation magnet 7, and an electron cloud is formed in the vicinity of the collimating magnet 6 and the compensation magnet 7.
  • the collimating magnet 6 cooperates with the scanner 5 that scans the ion beam IB by a magnetic field, and the ion beam IB scanned in the Y direction is moved to a reference axis C (an axis along the X direction) by the magnetic field.
  • a ribbon-like ion beam IB having a dimension in the Y direction larger than that in the Z direction is emitted by bending back to be substantially parallel to the parallel beam.
  • the collimator magnet 6 includes two magnetic poles 61 that face each other in the Z direction, a yoke 62 that connects them, and an excitation coil 63 that excites each magnetic pole 61.
  • a pair of magnetic pole planes 61a and 61b (planes parallel to the XY plane) disposed in parallel so as to face each other in the Z direction.
  • the compensation magnet 7 compensates for the divergence in the Z direction of the ion beam IB and improves the transport efficiency of the ion beam IB.
  • the compensation magnet 7 includes a first magnet 7A and a second magnet 7B arranged so as to face each other in the Z direction.
  • Each of the magnets 7A and 7B includes an arc-shaped iron core 71 projecting in the traveling direction of the ion beam IB and a coil 72 wound in the longitudinal direction of the iron core 71.
  • the two long side portions 711 of the iron core 71 (that is, the entrance side and the exit side of the ion beam IB) respectively constitute different magnetic poles over substantially the entire length thereof.
  • the compensation magnet 7 includes a pair of magnetic pole planes 71a and 71b (planes parallel to the XY plane) arranged in parallel so as to face each other in the Z direction, similarly to the collimator magnet 6 (FIG. 8).
  • the first magnet 7A and the second magnet 7B are respectively supplied with exciting currents from a DC power source (not shown).
  • a plurality of electron sources 11 are provided so as to sandwich the ion beam IB on the upstream side or the downstream side of the collimator magnet 6 and the compensation magnet 7.
  • the electron source holder 12 holds the electrodes in series and at equal intervals.
  • the electron source 11 is arranged so as to be plane-symmetric with respect to the ion beam IB, but may be arranged so as to be alternately shifted in the Y direction.
  • the electron source 11 of the present embodiment is of a field emission type, and as shown in the partially enlarged sectional view of FIG. 9, a conductive cathode substrate 111 and a tip formed on the surface of the cathode substrate 111 are pointed.
  • an insulating layer 114 provided between the extraction electrode 113 and the cathode substrate 111 to insulate them from each other.
  • the cathode substrate 111 and each emitter 112 are electrically connected to each other.
  • the electron source 11 is disposed in a magnetic field gradient region K formed on the upstream side or the downstream side of the ion beam IB of the magnets 6 and 7, and the ion beam IB passes therethrough.
  • the ion beam IB is disposed outside the region so as to sandwich the passage region of the ion beam IB.
  • the magnetic field gradient region K is a magnetic field region formed so as to swell outside the magnetic pole planes 61a, 61b or 71a, 71b in the collimating magnet 6 or the compensation magnet 7.
  • the electron emission direction of the electron source 11 is set to a direction in which electrons are supplied to the magnetic field gradient region K, that is, a direction toward the magnetic field gradient region K.
  • the electron emission direction of the electron source 11 is substantially perpendicular to the magnetic pole plane (for example, 61a or 71a) so as to face the magnetic pole plane (61b or 71b) opposite to the magnetic pole plane, or the magnets 6, 7 Is directed outward. More specifically, it is desirable that the electron emission direction of the electron source 11 is set so as to substantially coincide with the tangential direction of the magnetic field in the magnetic field gradient region K.
  • the electron sources 11 are arranged in a row in a plane (XY plane) substantially parallel to a pair of magnetic pole planes (61a, 71a, etc.) constituting the collimating magnet 6 or the compensation magnet 7. Has been.
  • the electron source 11 is provided along the ion beam upstream side surface or downstream side surface of the magnets 6 and 7 such that the distance between the side surface and each electron source 11 is substantially constant.
  • the distance between the collimating magnet 6 and the electron source 11 provided on the downstream side thereof is made constant in the peripheral direction of the collimating magnet 6.
  • the distances L ⁇ b> 2 and L ⁇ b> 3 between the compensation magnet 7 and the electron source 11 provided on the upstream side or the downstream side thereof are set to be constant in the peripheral direction of the compensation magnet 7. That is, the electron source 11 is configured to be disposed in a constant magnetic field in the circumferential direction of the magnets 6 and 7 in the magnetic field gradient region K.
  • the magnetic flux density generated between the opposing magnetic pole planes 61 a and 61 b of the collimating magnet 6 is B 0 and formed outside the collimating magnet 6. that when the magnetic flux density in the magnetic field gradient region K B, is provided in the 0 ⁇ B / B 0 ⁇ field gradient in the region K that satisfies the 0.72 relationships. More specifically, the electron source 11 is provided in the magnetic field gradient region K that satisfies the relationship of 0.12 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.36.
  • the range of B / B 0 is appropriately changed depending on the type of magnet 6 (magnetic field configuration), the energy of electrons, the type of ions to be handled, the amount of deflection, and the like.
  • FIG. 10 is a simulation result showing the state of the electron cloud generated in the magnetic field gradient region K in the vicinity of the collimating magnet 6 and the ion beam IB passing through the electron cloud.
  • FIG. 11 shows a simulation result showing the state of the ion beam IB when there is no electron cloud in the vicinity of the collimating magnet 6, and
  • FIG. 12 shows a simulation result of the ion beam IB when there is an electron cloud in the vicinity of the collimating magnet 6. It is.
  • FIG. 13 is a simulation result showing the state of the ion beam IB in the target chamber when there is no electron cloud
  • FIG. 14 is a simulation showing the state of the ion beam IB in the target chamber when there is an electron cloud. It is a result.
  • the position where the X coordinate is 0 is the entrance of the target chamber, and the position 340 is the position where the target (wafer) W is disposed.
  • the divergence of the ion beam IB is suppressed by forming an electron cloud in the vicinity of the collimating magnet 6.
  • the ion current (I ion) is 4 [.mu.A]
  • electron energy (E e) is 10 [eV]
  • the electron current (I e) is a 34 ⁇ I ion [ ⁇ A].
  • the simulation is performed on the assumption that the pair of magnetic pole planes 61a and 61b are parallel to the Z direction.
  • the position where the electron source 11 is provided is within the magnetic field gradient region K satisfying the relationship of 0.12 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.36 from the results shown in FIG. I found it desirable.
  • the magnetic field distribution in FIG. 17 is along the central trajectory in the traveling direction of the ion beam IB.
  • the relationship between the arrangement of the electron source 11 in the magnetic field gradient region K of the collimator magnet 6 and the diameter D of the ion beam at the target position is shown in FIG.
  • the horizontal axis is normalized by dividing by the gap between the magnetic poles of the collimating magnet 6.
  • the diameter D of the ion beam IB has a minimum value in the magnetic field gradient region K where the position where the electron source is provided satisfies the relationship of 0.12 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.36.
  • the maximum value of the magnetic flux density generated between the pair of parallel magnetic pole planes 71 a and 71 b constituting the compensation magnet 7 by the electron source 11 is B 0, and the magnetic flux density in the magnetic field gradient region K formed outside the compensation magnet 7. Is set in the magnetic field gradient region K that satisfies the relationship 0 ⁇ B / B 0 ⁇ 1. More specifically, the electron source 11 is provided in the magnetic field gradient region K satisfies the relationship 0.30 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.80 .
  • FIG. 19 is a simulation result showing an electron cloud generated in the magnetic field gradient region K near the compensation magnet 7 and the state of the ion beam IB passing through the electron cloud.
  • 20 shows a simulation result showing the state of the ion beam IB when there is no electron cloud in the vicinity of the compensation magnet 7
  • FIG. 21 shows a simulation result of the ion beam IB when there is an electron cloud in the vicinity of the compensation magnet 7. It is.
  • FIG. 22 shows a simulation result showing the state of the ion beam IB in the target chamber when there is no electron cloud
  • FIG. 23 shows a simulation showing the state of the ion beam IB in the target chamber when there is an electron cloud. It is a result.
  • the position where the X coordinate is 0 is the entrance of the target chamber, and the position 340 is the position where the target (wafer) W is arranged.
  • the divergence of the ion beam IB is suppressed by forming an electron cloud in the vicinity of the compensation magnet 7.
  • the ion current (I ion) is 4 [.mu.A]
  • electron energy (E e) is 10 [eV]
  • the electron current (I e) is a 34 ⁇ I ion [ ⁇ A].
  • the position where the electron source 11 is provided is 0.30 as shown in FIG. It was found that it is desirable to be within the magnetic field gradient region K that satisfies the relationship ⁇ B / B 0 ⁇ 0.80.
  • the relationship between the arrangement of the electron source 11 in the magnetic field gradient region of the compensation magnet 7 and the diameter D of the ion beam IB at the target position is shown in FIG.
  • the horizontal axis is normalized by dividing by the gap between the magnetic poles of the compensation magnet 7.
  • the diameter D of the ion beam IB has a minimum value within the magnetic field gradient region K where the position where the electron source 11 is provided satisfies the relationship of 0.30 ⁇ B / B 0 ⁇ 0.80. .
  • FIG. 28 is a simulation result showing the state of electron motion when electrons are irradiated to the magnetic field gradient region K formed in the vicinity of the compensation magnet 7.
  • the electron trajectory moves around the magnet by a magnetic field gradient, spirals while rotating around the magnetic field line in the magnetic field gradient region K, moves along the magnetic field direction, and is reflected by the mirror effect near the magnetic pole.
  • the movement that combines is a movement. That is, as shown in FIG. 31, the electrons move in a zigzag manner between the magnetic pole planes while spirally moving. Thereby, an electron cloud is formed in the region through which the ion beam IB passes, and electrons are efficiently supplied to the ion beam IB.
  • the electron source is disposed in the magnetic field gradient region K formed by the collimator magnet 6 and the compensation magnet 7, and the ion beam IB passage region. Since it is arranged outside and electrons are supplied into the magnetic field gradient region K, the supplied electrons can be confined in the magnetic field gradient region K by the mirror effect of the magnetic field gradient. As a result, an electron cloud can be formed on the ion beam downstream side of the collimating magnet 6 and on the ion beam upstream side and downstream side of the compensation magnet 7, and divergence of the ion beam can be suppressed by the space charge effect. Further, since the electron source 11 is provided in the vicinity of the magnets 6 and 7, a special magnetic pole structure can be made unnecessary by effectively utilizing the space in the vicinity of the magnet, where the arrangement of the conventional parts is restricted.
  • the electron source is provided in the vicinity of the beam collimator and the compensator.
  • other magnets provided between the ion source and the target such as a mass separator, an energy separator, It may be provided in the vicinity of the scanner.
  • the electron source is provided on the ion beam downstream side (exit) of the collimator magnet.
  • the electron source is provided on the ion beam upstream side (inlet)
  • the ion beam is further increased. Neutralization can be performed.
  • an electron source may be provided on one of the upstream side and the downstream side.
  • the collimating magnet and the compensation magnet are comprised with the electromagnet, you may comprise with a permanent magnet.
  • a compensation magnet may be provided on the downstream side of the collimating magnet.
  • the electron energy of 10 eV is used.
  • the present invention is not limited to this, and low energy electrons are effective for neutralizing the ion beam. It is also conceivable to use electrons having an energy of 25 eV.
  • the use efficiency of electrons can be improved and the spread of the ion beam due to the space charge effect can be efficiently suppressed while eliminating the need for a special magnetic pole structure.

Abstract

　本発明は、磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制するものであり、イオン源２と、コリメート磁石６と、複数の電子源１１とを備え、電子源１１が、コリメート磁石６におけるイオンビーム上流側又は下流側に形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置され、且つ、イオンビームＩＢの通過領域外に配置されるとともに、電子の照射方向が、磁場勾配領域Ｋに電子が供給されるように向けられていることを特徴とする。

Description

イオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法
　本発明は、イオン源から引き出されたイオンビームをターゲットに照射してイオン注入等の処理を施すためのイオンビーム照射装置に関し、特に空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する機能を有するイオンビーム照射装置及びイオンビーム発散抑制方法に関するものである。
　従来、この種のイオンビーム照射装置としては、特許文献１に示すように、イオンビームを生成するイオン源と、このイオン源からのイオンビームを偏向するための偏向磁石と、この偏向磁石を構成する磁極内面に設けられた電子源とを備え、当該電子源から対向する磁極に電子線を照射することによって、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制する（これを中性化ともいう。）ものが考えられている。
　しかしながら、磁極内部で射出された電子は磁場に沿って進行するため、いずれは電子源が設けられた磁極と対向する磁極に衝突して消滅してしまう。このため、イオンビームの発散を抑制するための電子の利用効率が悪いという問題がある。なお、特許文献１の図６等において、電子源と磁極との間に絶縁体又は導電体を設けることによってイオンビームを横切った電子を反射させることが記載されているが、どのように反射されるか不明であり、空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制できるか否か不明である。
　また、磁極内面に電子源を埋め込むために、磁極内面に凹部を設ける等の特別な加工が必要となり（特許文献１の図５等）、これによって磁極平面の構造が複雑になるだけでなく、加工コストが増大してしまうという問題もある。なお、上記のように、絶縁体又は導電体を設ける加工によっても加工コストが増大してしまうという問題がある。
　さらに、磁極内面に凹部を設ける等の複雑な形状とすること又は絶縁体或いは導電体を設けることによって、磁極により形成される磁場を均一にすることが難しく、偏向されるイオンビームを所望の向きに精度良く変更することが難しいという問題がある。
特表２００６－５１０１６５号公報
　そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することをその主たる所期課題とするものである。
　すなわち本発明に係るイオンビーム照射装置は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームをターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、前記電子源が、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置され、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されるとともに、前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域に電子が供給されるように向けられていることを特徴とする。
　このようなものであれば、電子源を磁石により形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、イオンビームが通過する領域外に配置するとともに、その磁場勾配領域内に電子が供給されるようにしているので、磁場勾配のミラー効果によって、供給された電子を磁場勾配領域内に閉じ込めることができる。その結果、磁石のイオンビーム上流側又は下流側に電子雲を形成することができ、空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制することができる。また、電子源を磁石近傍に設けていることから、磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要とすることができる。
　前記磁石が、前記イオンビームを挟むように設けられた一対の平行な磁極平面を有する場合において、当該磁極平面により形成される磁場勾配領域内に電子を供給するためには、前記電子源からの電子射出方向が、前記磁極平面に対してその磁極平面に対向する磁極平面を向くように略垂直、又は前記偏向磁石よりも外側に向けられていることが望ましい。
　電子源から出る電子を効率良く磁場勾配領域内に供給するためには、前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域内の磁場の接線方向であることが望ましい。
　前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石を有する場合において、このコリメート磁石において、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを好適に抑制するためには、前記電子源が、前記コリメート磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、前記電子源が、前記コリメート磁石の磁極平面間に発生する磁束密度をＢ０とし、前記コリメート磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが好ましい。特に、磁場勾配領域内に充分な電子を閉じ込めるとともに、イオンビームに効率よく電子を供給するためには、電子源が、０．１２＜Ｂ／Ｂ０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが好ましい。
　前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石と、前記コリメート磁石の磁極平面に平行に配置された一対の平行な磁極平面により、前記コリメート磁石に入射するイオンビームの磁極平面に直交する方向の発散を補償する補償磁石と、を備える場合において、この補償磁石において、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを好適に抑制するためには、前記電子源が、前記補償磁石を構成する一対の平行な磁極平面間に発生する磁束密度の最大値をＢ０とし、前記補償磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜１の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられていることが望ましい。特に、磁場勾配領域内に充分な電子を閉じ込めるとともに、イオンビームに効率よく電子を供給するためには、前記電子源が、０．３０＜Ｂ／Ｂ０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域に設けられていることが好ましい。
　磁場勾配領域内の均一磁場内に効率よく電子を供給して均一な電子雲を形成させるためには、前記電子源が、前記磁石を構成する一対の磁極平面と略平行な平面内に配置されるとともに、前記磁石におけるイオンビームの上流側側面及び／又は下流側側面に沿って配置されていることが望ましい。
　イオンビームの両側から電子を照射することによって、空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率よく抑制するためには、前記電子源を２つ以上有し、それらの電子源が、前記イオンビームを挟んで配置されていることが望ましい。
　電子源をコンパクトにするとともに、ミラー効果により生じる電子雲中に配置した場合であっても、電子源に電子が衝突することによる電子の減少を可及的に低減して、電子の利用効率を一層向上させるためには、前記電子源が、電界放出型電子源であることが望ましい。
　また、本発明に係るイオンビーム発散抑制方法は、イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、前記電子源を、前記磁石におけるイオンビームの上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置して、前記電子源から出る電子を前記磁場勾配領域内に供給することを特徴とする。
　このように構成した本発明によれば、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るイオンビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 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。 コリメート磁石及び電子源を部分的に示す概略斜視図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示すＺ方向から見た図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示すＸ方向から見た図である。 コリメート磁石及び電子源の位置関係を示す模式的断面図である。 補償磁石及び電子源の位置関係を示すＺ方向から見た図である。 補償磁石及び電子源の位置関係を示す断面図である。 電子源の構成を模式的に示す断面図である。 コリメート磁石の磁場勾配領域に生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームの様子を表すシミュレーション結果を示す図である。 コリメート磁石近傍に電子雲がない場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 コリメート磁石近傍に電子雲がある場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 ＋Ｐ３１イオンを平行化するためのコリメート磁石における磁場領域を示す図である。 コリメート磁石及び電子源の距離に関する電子の閉じ込めのシミュレーション結果である。 コリメート磁石及び電子源の位置をＢ／Ｂ０の値で示すシミュレーション結果である。 コリメート磁石の磁場勾配領域における電子源の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径との関係を示す図である。 補償磁石の磁場勾配領域に生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 補償磁石近傍に電子雲がない場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 補償磁石近傍に電子雲がある場合におけるイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームの様子を表すシミュレーション結果である。 ＋Ｐ３１イオンを補償する補償磁石における磁場分布を示す図である。 補償磁石の磁場勾配領域における電子源の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径との関係を示す図である。 コリメート磁石近傍に形成された磁場勾配領域内での電子運動を模式的に示す図である。 コリメート磁石近傍の一定強度を有する磁場に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 補償磁石近傍の一定強度を有する磁場に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 電子は磁場の方向に沿った電子運動のシミュレーション結果を示す図である。 コリメート磁石の磁場勾配領域内での電子運動を示すシミュレーション結果である。 コリメート磁石の磁場勾配領域内での電子運動を示すシミュレーション結果である。
１００・・・イオンビーム照射装置
ＩＢ・・・イオンビーム
Ｗ・・・ターゲット
２・・・イオン源
６・・・コリメート磁石
６１ａ、６１ｂ・・・コリメート磁石の磁極平面
７・・・補償磁石
７１ａ、７１ｂ・・・補償磁石の磁極平面
Ｋ・・・磁場勾配領域
１１・・・電子源
　以下に本発明に係るイオンビーム照射装置の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態において、図１に示すように、ターゲットＷに照射されるイオンビームＩＢの設計上の進行方向をＸ方向、Ｘ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Ｙ方向及びＺ方向とする。また、以下の説明で参照する図１０～図１６、図１９～図２３、図２７～図３１に記載されているＸ、Ｙ、Ｚ軸の単位はｍｍである。
　本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００は、図１にその模式的全体図を示すように、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源２と、このイオン源２及びターゲットＷの間に設けられ、イオン源２から出たイオンビームＩＢをターゲットＷに照射するために、発生する磁場によってイオンビームＩＢを偏向、収束又は発散させる複数の磁石と、を備えている。
　本実施形態のイオンビーム照射装置１００は、磁石として、イオン源２から引き出されたイオンビームＩＢを質量分離するための質量分離器３と、イオンビームＩＢをエネルギー分離するためのエネルギー分離器４と、イオンビームＩＢをＹ方向（例えば水平方向）に走査するための走査器５と、この走査器５により走査されたイオンビームＩＢを平行ビーム化するビーム平行化器６と、走査器５及びビーム平行化器６の間に設けられ、イオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償して、イオンビームＩＢの輸送効率を向上させる補償器７と、を備えている。
　なお、質量分離器３及びエネルギー分離器４の間には、イオンビームＩＢを必要に応じて加速又は減速するための加減速器８が設けられている。また、ビーム平行化器６とターゲットＷの間には、イオンビームＩＢを通過させる開口を有し、イオンビームＩＢを整形するマスク９が設けられている。これにより、イオンビームＩＢのＹ方向の不要な裾の部分をカットしている。
　質量分離器３は、磁場によってイオンビームＩＢの質量分離を行う質量分離磁石である。エネルギー分離器４は、磁場によってイオンビームＩＢのエネルギー分離を行うエネルギー分離磁石である。走査器５は、磁場によってイオンビームＩＢの走査を行う走査磁石である。ビーム平行化器６は、磁場によってイオンビームＩＢの平行化を行うコリメート磁石である。補償器７は、磁場によってイオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償する補償磁石である。なお、加減速器８は、複数枚の電極を有していて静電界によってイオンビームＩＢの加減速を行う加減速管である。上記磁石３～７は、電磁石により構成しても良いし、永久磁石により構成しても良い。
　このように構成したイオンビーム照射装置１００により、ホルダ１０に保持されたターゲットＷにイオンビームＩＢを照射して、ターゲットＷにイオン注入等の処理を施すように構成されている。イオンビームＩＢの軌道は、真空雰囲気に保たれるように構成されている。質量分離器２を設けない場合もある。ターゲットＷにイオン注入を行う場合は、この装置１００はイオン注入装置とも呼ばれる。
　ターゲットＷに照射されるイオンビームＩＢは、図２に示すように、Ｙ方向（例えば長手方向）の寸法が、当該Ｙ方向と直交するＺ方向の寸法よりも大きい形をしている。このような形状のイオンビームＩＢは、リボン状やシート状あるいは帯状のイオンビームと呼ばれる場合もある。但し、Ｚ方向の寸法が紙のように薄いという意味ではない。一例を挙げると、Ｙ方向の寸法は３５０ｍｍ～４００ｍｍ程度、Ｚ方向の寸法は８０ｍｍ～１００ｍｍ程度である。
　ターゲットＷは、例えば、半導体基板又はガラス基板等である。ターゲットＷは、この実施形態では、ホルダ１０に保持されて、ターゲット駆動装置（不図示）によって、Ｚ方向に沿って機械的に往復進退駆動（メカニカルスキャン）される。イオンビームＩＢのＹ方向の寸法ＷＹは、ターゲットＷの同方向の寸法よりも若干大きく、このことと、上記往復駆動とによって、ターゲットＷの全面にイオンビームＩＢを照射することができる。
　しかして本実施形態のイオンビーム照射装置１００において、コリメート磁石６及び補償磁石７の近傍に電子を生成する複数の電子源１１を設け、それらコリメート磁石６及び補償磁石７近傍に電子雲を形成してイオンビームＩＢに電子を供給することによって、空間電荷効果によるイオンビームＩＢの発散を抑制する構成としている。
　以下に具体的に説明する。
　コリメート磁石６は、磁界によってイオンビームＩＢを走査する走査器５と協働して、Ｙ方向に走査されたイオンビームＩＢを、磁界によって基準軸Ｃ（Ｘ方向に沿った軸である。）に対して実質的に平行となるように曲げ戻して平行ビーム化して、Ｙ方向の寸法がＺ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームＩＢを射出するものである。このコリメート磁石６は、図３～図６に示すように、Ｚ方向において相対向する２つの磁極６１と、それらの間を繋ぐヨーク６２と、各磁極６１を励磁する励磁コイル６３とを有し、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面６１ａ、６１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である）を備えている。
　補償磁石７は、イオンビームＩＢのＺ方向の発散を補償して、イオンビームＩＢの輸送効率を向上させるものである。この補償磁石７は、図７及び図８に示すように、Ｚ方向において相対向するように配置された第１の磁石７Ａと第２の磁石７Ｂとにより構成されている。各磁石７Ａ、７Ｂは、イオンビームＩＢの進行方向に張り出した弧状をなす鉄心７１と、この鉄心７１の長手方向に巻回されたコイル７２とを備えている。鉄心７１の２つの（即ち、イオンビームＩＢの入口側及び出口側の）長辺部７１１が、それぞれ、その実質的に全長に亘って異なる磁極を構成する。つまり、補償磁石７は、コリメート磁石６と同様、Ｚ方向において相対向するように平行に配置された一対の磁極平面７１ａ、７１ｂ（ＸＹ平面に平行な平面である。）を備えている（図８参照）。なお、第１の磁石７Ａ及び第２の磁石７Ｂには、それぞれ、直流電源（不図示）からの励磁電流が供給されている。
　電子源１１は、図４、図７等に示すように、コリメート磁石６及び補償磁石７のイオンビーム上流側又は下流側において、イオンビームＩＢを挟むように、複数個設けられている。具体的には、図５に示すように、電子源ホルダ１２により直列状に且つ互いに等間隔となるように保持されている。なお、図５では、電子源１１をイオンビームＩＢを挟んで面対称となるように配置しているが、Ｙ方向において交互にずらすように配置しても構わない。
　本実施形態の電子源１１は、電界放出型のものであり、図９の部分拡大断面図に示すように、導電性のカソード基板１１１と、このカソード基板１１１の表面に形成され先端が尖った形状をなす複数の微小（μｍ単位）なエミッタ１１２と、この各エミッタ１１２の先端近傍を微小（μｍ単位）な間隙Ｇを開けて取り囲む、各エミッタ１１２に共通の引き出し電極１１３（ゲート電極とも言う。）と、この引き出し電極１１３とカソード基板１１１との間に設けられて両者間を絶縁する絶縁層１１４とを備えている。カソード基板１１１と各エミッタ１１２とは互いに電気的に導通している。
　以下、電子源１１の具体的な配置態様について説明する。
　電子源１１は、図６又は図８に示すように、磁石６、７のイオンビームＩＢの上流側又は下流側に形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置され、且つ、イオンビームＩＢが通過する領域外においてそのイオンビームＩＢの通過領域を挟むように配置されている。磁場勾配領域Ｋとは、コリメート磁石６又は補償磁石７において、磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂの外側に膨らむように形成された磁場領域である。
　そして、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋに電子が供給される向き、つまり磁場勾配領域Ｋを向く方向に設定されている。具体的には、電子源１１の電子射出方向が、磁極平面（例えば６１ａ又は７１ａ）に対してその磁極平面に対向する磁極平面（６１ｂ又は７１ｂ）を向くように略垂直、又は磁石６、７よりも外側に向けられている。より詳細には、電子源１１の電子射出方向が、磁場勾配領域Ｋ内の磁場の接線方向と略一致するように設定されていることが望ましい。なお、図６及び図８においては、電子源１１の電子射出方向が磁極平面６１ａ、６１ｂ又は７１ａ、７１ｂと略平行な方向となるように磁石６、７よりも外側に向けられた状態を示している。
　また、電子源１１は、図５に示すように、コリメート磁石６又は補償磁石７を構成する一対の磁極平面（６１ａ、７１ａ等）と略平行な平面（ＸＹ平面）内にほぼ列状に配置されている。
　さらに、電子源１１は、磁石６、７のイオンビーム上流側側面又は下流側側面に沿って、当該側面と各電子源１１との距離が略一定となるように設けられている。例えばコリメート磁石６及びその下流側に設けた電子源１１との距離は、コリメート磁石６の周囲方向において一定となるようにしている。補償磁石７及びその上流側又は下流側に設けた電子源１１との距離Ｌ２、Ｌ３は、補償磁石７の周囲方向において一定となるようにしている。つまり、電子源１１は、磁場勾配領域Ｋにおいて、磁石６、７の周囲方向における一定磁場内に配置されるように構成されている。
　次に、電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍（出口近傍）に設けた場合の具体的な配置態様について説明する。
　電子源１１をコリメート磁石６のイオンビームＩＢの下流側近傍に設ける場合には、コリメート磁石６の対向する磁極平面６１ａ、６１ｂ間に発生する磁束密度をＢ０とし、コリメート磁石６外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．１２＜Ｂ／Ｂ０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。なお、Ｂ／Ｂ０の範囲は、磁石６の種類（磁場構成）、電子のエネルギー、取り扱うイオン種、又は偏向量等によって適宜変更される。
　ここで、コリメート磁石６に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果に基づいて説明する。
　図１０は、コリメート磁石６近傍の磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を表すシミュレーション結果である。また、図１１は、コリメート磁石６近傍に電子雲がない場合でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図１２は、コリメート磁石６近傍に電子雲がある場合でのイオンビームＩＢのシミュレーション結果である。さらに、図１３は、電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図１４は、電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。なお、図１３、図１４において、Ｘ座標が０の位置がターゲットチャンバの入口であり、３４０の位置がターゲット（ウエハ）Ｗが配置される位置である。これらの図から分かるように、コリメート磁石６近傍に電子雲を形成させることによって、イオンビームＩＢの発散が抑制されていることが分かる。
　図１５は、Ｅｉｏｎ＝５７５ｅＶを有する＋Ｐ３１イオンを平行化するためのコリメート磁石６における磁場領域を示す図である。このコリメート磁石６は、平面磁極間において２８０［Ｇｓ］（＝Ｂ０）の一定磁場を形成しており、コリメート磁石６の磁極の物理的境界における磁場ＢとＢ０との比は、Ｂ／Ｂ０＝０．７２である。また、イオン電流（Ｉｉｏｎ）は４［μＡ］、電子エネルギー（Ｅｅ）は１０［ｅＶ］、電子電流（Ｉｅ）は３４×Ｉｉｏｎ［μＡ］としている。なお、この図１５においては、一対の磁極平面６１ａ、６１ｂがＺ方向に平行であるとしてシミュレーションを行っている。
　コリメート磁石６に対して電子源１１を近づけすぎると、磁場勾配領域Ｋによるミラー効果が弱くなり、電子の閉じ込め効果が不十分になってしまう（図１６におけるｘ＝－３５５ｍｍ、－３０５ｍｍ）。また、電子源１１を磁石６から遠ざけすぎると、ミラー効果による電子の閉じ込めはできるが、電子を閉じ込めておく領域が広くなりすぎてしまい、効率よくイオンビームＩＢに電子を供給することができない（図１６におけるｘ＝－２３０ｍｍ）。このことから、ミラー効果による電子の閉じ込めが十分であり、イオンビームＩＢに十分な電子の供給が可能な閉じ込め領域を形成する位置に電子源１１を配置する（図１６におけるｘ＝－２９５ｍｍ）。上記各位置におけるＢ／Ｂ０を考えると、図１７に示す結果から、電子源１１を設ける位置は、０．１２＜Ｂ／Ｂ０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内であることが望ましいことが分かった。なお、図１７の磁場分布は、イオンビームＩＢの進行方向の中心軌道に沿ったものである。
　ここで、コリメート磁石６の磁場勾配領域Ｋにおける電子源１１の配置とターゲット位置でのイオンビームの直径Ｄとの関係を図１８に示す。電子源１１が配置されない場合には、直径Ｄ＝６６ｍｍのイオンビームＩＢがターゲットＷに照射されることになる。なお、横軸は、コリメート磁石６の磁極間ギャップで割ることにより正規化している。この図から分かるように、電子源を設ける位置が０．１２＜Ｂ／Ｂ０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内でイオンビームＩＢの直径Ｄが最小値となることが分かる。
　次に、電子源１１を補償磁石７のイオンビームＩＢの上流側（入口）近傍及び下流側（出口）近傍に設ける場合の具体的な配置態様について説明する。
　電子源１１が、補償磁石７を構成する一対の平行な磁極平面７１ａ、７１ｂ間に発生する磁束密度の最大値をＢ０とし、補償磁石７外部に形成される磁場勾配領域Ｋでの磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜１の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内に設けられている。より具体的には、電子源１１が、０．３０＜Ｂ／Ｂ０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋに設けられている。
　ここで、補償磁石７に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果に基づいて説明する。
　図１９は、補償磁石７近傍の磁場勾配領域Ｋに生成された電子雲とその電子雲を通過するイオンビームＩＢの様子を表すシミュレーション結果である。また、図２０は、補償磁石７近傍に電子雲がない場合でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図２１は、補償磁石７近傍に電子雲がある場合でのイオンビームＩＢのシミュレーション結果である。さらに、図２２は、電子雲がない場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果、図２３は、電子雲がある場合におけるターゲットチャンバ内でのイオンビームＩＢの様子を示すシミュレーション結果である。なお、図２２、図２３において、Ｘ座標が０の位置がターゲットチャンバの入口であり、３４０の位置がターゲット（ウエハ）Ｗが配置される位置である。これらの図から分かるように、補償磁石７近傍に電子雲を形成させることによって、イオンビームＩＢの発散が抑制されていることが分かる。
　図２４は、Ｅｉｏｎ＝５７５ｅＶを有する＋Ｐ３１イオンを補償する補償磁石７における磁場領域を示す図である。なお、図２４の磁場分布は、イオンビームＩＢの進行方向の中心軌道に沿ったものである。この補償磁石７は、平面磁極間において２８０［Ｇｓ］（＝Ｂ０）の一定磁場を形成しており、補償磁石７の磁極の物理的境界における磁場ＢとＢ０との比は、Ｂ／Ｂ０＝１．０である。また、イオン電流（Ｉｉｏｎ）は４［μＡ］、電子エネルギー（Ｅｅ）は１０［ｅＶ］、電子電流（Ｉｅ）は３４×Ｉｉｏｎ［μＡ］としている。
　このとき、図示しないが、補償磁石７に対する電子源１１の位置とそのときの電子の閉じ込め作用についてシミュレーション結果を行った結果、図２４に示すように、電子源１１を設ける位置は、０．３０＜Ｂ／Ｂ０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内であることが望ましいことが分かった。
　ここで、補償磁石７の磁場勾配領域における電子源１１の配置とターゲット位置でのイオンビームＩＢの直径Ｄとの関係を図２５に示す。電子源１１が配置されない場合には、直径Ｄ＝９５ｍｍのイオンビームＩＢがターゲットＷに照射されることになる。なお、横軸は、補償磁石７の磁極間ギャップで割ることにより正規化している。この図から分かるように、電子源１１を設ける位置が０．３０＜Ｂ／Ｂ０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域Ｋ内でイオンビームＩＢの直径Ｄが最小値となることが分かる。
　次にコリメート磁石６近傍に形成された磁場勾配領域Ｋ内での電子の運動について図２６を参照して説明する。なお、補償磁石７については説明しないが、コリメート磁石６の磁場勾配領域Ｋでの運動と同様である。
　磁場勾配領域Ｋにおいてコリメート磁石６の周囲方向（ＸＹ平面に沿った方向）を考えた場合、一定強度の磁場が形成されているので、この一定強度を有する磁場に沿って電子が移動する（図２６中の（１）に示す矢印）。このときの電子運動のシミュレーションを図２７に示す。なお、図２８は、補償磁石７近傍に形成された磁場勾配領域Ｋに電子を照射した場合における電子運動の様子を表すシミュレーション結果である。
　一方、Ｚ方向を考えた場合には、電子は磁場の方向に沿って移動する（図２６中の（２）に示す矢印）。なお、このときの電子運動のシミュレーションを図２９に示す。そして、Ｚ方向に移動した電子は、ミラー効果によって今まで飛んできた方向と逆の方向へ反射される（図２６中の（３）、（４））。なお、ミラー効果による電子の往復についてのシミュレーション結果を図３０に示す。図３０中（Ａ）は、ミラー磁場における電子の軌道を３次元で示すシミュレーション結果であり、（Ｂ）は、ミラー磁場における電子の軌道を２次元で示すシミュレーション結果である。
　つまり、電子の軌道としては、磁場勾配によって磁石の周囲を回る動き、磁場勾配領域Ｋで磁力線の回りを回転しながら螺旋運動して磁場方向に沿った動き、磁極付近にてミラー効果によって反射される動きが組み合わされた動きをする。つまり、電子は、図３１に示すように、螺旋運動をしながら磁極平面間をジグザグ状に運動する。これにより、イオンビームＩＢが通過する領域に電子雲が形成され、イオンビームＩＢに電子が効率よく供給される。
　＜本実施形態の効果＞
　このように構成した本実施形態に係るイオンビーム照射装置１００によれば、電子源をコリメート磁石６及び補償磁石７により形成される磁場勾配領域Ｋ内に配置し、且つ、イオンビームＩＢの通過領域外に配置するとともに、磁場勾配領域Ｋ内に電子が供給されるようにしているので、磁場勾配のミラー効果によって、供給された電子を磁場勾配領域Ｋ内に閉じ込めることができる。この結果、コリメート磁石６のイオンビーム下流側、及び補償磁石７のイオンビーム上流側及び下流側に電子雲を形成することができ、空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制することができる。また、電子源１１を磁石６、７近傍に設けていることから、従来部品の配置が制約されていた磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要とすることができる。
　＜その他の変形実施形態＞
　なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
　例えば、前記実施形態では電子源をビーム平行化器近傍及び補償器近傍に設ける態様について説明したが、その他、イオン源及びターゲットの間に設けられるその他の磁石、例えば質量分離器、エネルギー分離器又は走査器近傍に設けるようにしても良い。また、イオンビーム照射装置に既存の磁石近傍に電子源を設けるだけでなく、別途磁石を設けて、その磁石近傍に電子源を設けることも考えられる。
　また、前記実施形態では、コリメート磁石のイオンビーム下流側（出口）に電子源を設ける構成であったが、さらにイオンビーム上流側（入口）に電子源を設ける構成とすれば、一層イオンビームの中性化を行うことができる。補償磁石においては、上流側又は下流側の一方に電子源を設ける構成としても良い。
　さらに、前記実施形態では、コリメート磁石及び補償磁石を電磁石により構成しているが、永久磁石により構成しても良い。
　その上、補償磁石をコリメート磁石の下流側に設けるようにしても良い。
　加えて、前記実施形態のシミュレーションでは、電子のエネルギーとして１０ｅＶのものが使用されているが、これに限られず、イオンビームの中和には、低エネルギーの電子が有効であるので、例えば５～２５ｅＶのエネルギーを有する電子を用いることも考えられる。
　その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
　本発明により、磁石近傍のスペースを有効活用することによって、特別な磁極構造を不要としながらも、電子の利用効率を向上して空間電荷効果によるイオンビームの広がりを効率的に抑制することができる。

Claims (11)

  1. 　イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置であって、
    　正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、
    　前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームをターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、
    　電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、
    　前記電子源が、前記磁石のイオンビーム上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置され、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置されるとともに、
    　前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域に電子が供給されるように向けられていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
  2. 　前記磁石が、前記イオンビームを挟むように設けられた一対の平行な磁極平面を有するものであり、
    　前記電子源の電子射出方向が、前記磁極平面に対してその磁極平面に対向する磁極平面を向くように略垂直、又は前記磁石よりも外側に向けられている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  3. 　前記電子源の電子射出方向が、前記磁場勾配領域内の磁場の接線方向である請求項２記載のイオンビーム照射装置。
  4. 　前記磁石が、一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石を有し、
    　前記電子源が、前記コリメート磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、
    　前記電子源が、前記コリメート磁石の磁極平面間に発生する磁束密度をＢ０とし、前記コリメート磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜０．７２の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  5. 　前記電子源が、０．１２＜Ｂ／Ｂ０＜０．３６の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項４記載のイオンビーム照射装置。
  6. 　前記磁石が、
    　一対の平行な磁極平面により前記イオンビームを略平行化するコリメート磁石と、
    　前記コリメート磁石の磁極平面に平行に配置された一対の平行な磁極平面により、前記コリメート磁石に入射するイオンビームの磁極平面に直交する方向の発散を補償する補償磁石と、を備え、
    　前記電子源が、前記補償磁石により形成される磁場勾配領域内に設けられるものであって、
    　前記電子源が、前記補償磁石を構成する一対の平行な磁極平面間に発生する磁束密度の最大値をＢ０とし、前記補償磁石外部に形成される磁場勾配領域での磁束密度をＢとした場合に、０＜Ｂ／Ｂ０＜１の関係を満たす磁場勾配領域内に設けられている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  7. 　前記電子源が、０．３０＜Ｂ／Ｂ０＜０．８０の関係を満たす磁場勾配領域に設けられている請求項６記載のイオンビーム照射装置。
  8. 　前記電子源を２つ以上有し、それらの電子源が、前記イオンビームを挟んで配置されている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  9. 　前記電子源が、前記磁石を構成する一対の磁極平面と略平行な平面内に配置されるとともに、前記磁石のイオンビーム上流側側面及び／又は下流側側面に沿って配置されている請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  10. 　前記電子源が、電界放出型電子源である請求項１記載のイオンビーム照射装置。
  11. 　イオンビームをターゲットに照射するイオンビーム照射装置における空間電荷効果によりイオンビームの発散を抑制するイオンビーム発散抑制方法であって、
    　前記イオンビーム照射装置が、正イオンからなるイオンビームを生成するイオン源と、前記イオン源及び前記ターゲットの間に設けられ、前記イオン源から出たイオンビームを前記ターゲットに照射するために偏向、収束又は発散させる１又は複数の磁石と、電子を生成する１又は複数の電子源と、を備え、
    　前記電子源を、前記磁石におけるイオンビームの上流側及び／又は下流側に形成される磁場勾配領域内に配置し、且つ、前記イオンビームが通過する領域外に配置して、前記電子源から出る電子を前記磁場勾配領域内に供給することを特徴とするイオンビーム発散抑制方法。
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