CN101162679A - 离子注入机 - Google Patents

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Abstract

一种构成离子注入机的分析电磁石，它具有第一内线圈、第二内线圈、三个第一外线圈、三个第二外线圈和轭。内线圈是马鞍形线圈，相互合作以产生在X方向上弯曲离子束的主磁场。每一个外线圈是马鞍形线圈，其产生校正主磁场的次磁场。每一个线圈具有凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中的结构，所述叠层线圈配置如下：在迭片绝缘体的***表面上缠绕绝缘片和导体片的迭片多匝；以及在***表面上形成迭片绝缘体。

Description

离子注入机
技术领域
本发明涉及离子注入机，其中带状离子束穿过分析电磁石以执行离子束的动量分析(例如，质量分析)，并且然后入射到衬底上，从而在衬底上执行离子注入。
背景技术
为了例如在大的衬底上执行离子注入，有时候使用具有带状(也叫做片状或条状，下同)形状的离子束。
在例如专利文献1中公开了一种离子注入机的例子，其中带状离子束穿过分析电磁石以执行离子束的动量分析(例如，质量分析，下同)，并且然后入射到衬底上，从而在衬底上执行离子注入。
在例如专利文献2中公开了一种分析电磁石的例子，用于对带状离子束进行动量分析。
下面参考图56来描述在专利文献2中所公开的常规分析电磁石。在图中，为了有助于理解线圈12、18的形状，用两点虚线表示轭36。离子束2的前进方向被设为Z方向，并且在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向。然后，在分析电磁石40中，在Y方向上延伸的带状离子束2是在垂直拉长地入射在入口24上，并且从出口26发射。
分析电磁石40具有其中诸如专利文献2的图1所示的上部和下部或两个线圈12、18与对应于文献的图21所示的轭的轭36组合起来的结构。
线圈12是马鞍形线圈(在专利文献2中，被称为香蕉形线圈)，并且具有：一套主体部分(在专利文献2，被称为线圈主部分)14，跨过离子束2的路径(射束路径)彼此相对；以及一套连接部分(在专利文献2中，被称为端起部分)16，倾斜地升起以避免射束路径，并且在Z方向上与主体部分14的末端部分彼此连接。在入口24和出口26中的连接部分16倾斜升起，这样防止了离子束2碰撞到这些部分并且保证了束穿区域。
另外，线圈18是与线圈12具有类似结构的马鞍形线圈(不过，它具有与线圈12平面对称的形状)，并且具有一套主体部分20和一套连接部分22。
线圈12、18的每一个都是多匝线圈，其中外表面覆有绝缘体的导体(被覆导体)被缠绕多次，并且通过将扇形平面图形状的线圈在其两端附近进行弯曲以形成连接部分16、22的方法产生。通常使用其中有冷却媒介(例如，冷凝水)流动的空心导体作为导体。在该说明书中，“绝缘”表示电气绝缘。
轭36整个地包围在线圈12、18的主体部分14、20的外侧。
[专利文献1]JP-A-2005-327713(段落0010，图1至4)。
[专利文献2]JP-A-2004-152557(段落0006和0022，图1和21)。
分析电磁石40具有下述问题。
(1)在入口24和出口26中，在束入射和发射方向上连接部分16、22从轭36突出的突出距离L1较大。这主要由下述原因所引起。
(a)为了让在Y方向上被延长的带状离子束2尽可能均匀地被偏转，必须设置线圈12、18的主体部分14、20，以便通过增加Y方向的尺寸a来将其垂直地延长(比图56所示的例子更为垂直地延长)。如上所述，在线圈12、18中，对扇形线圈施加弯曲处理以形成连接部分16、22。因此，尺寸a基本上直接在突出距离L1上反映出来。因此，随着尺寸a的增加，突出距离L1也随着增加。
(b)在线圈12、18中，连接部分16、22是通过如上所述对扇形线圈施加弯曲过程来形成的。由于对弯曲过程的限制，不可避免地在主体部分14、20和连接部分16、22之间的交界附近形成相对较大的弯曲部分30、32。弯曲部分30、32的存在使得轭36的末端部分和连接部分16、22的端部分之间的距离L2增加。由于距离L2包括在突出距离L1中，因此突出距离L1增加。由于对弯曲过程的限制，随着尺寸a的增加，弯曲部分30、32的曲率半径一定也增加，并且距离L2以及因此突出距离L1被进一步延长。
突出距离L1可以由下述表达式来表示。
[Exp.1]
L1＝a+L2
(c)连接部分16、22被倾斜升起。因此，这还导致突出距离L1的增加。
如上所述，当来自轭36的连接部分16、22的突出距离L1较大，则分析电磁石40相应地增大，并且用于安装分析电磁石40所需的面积也增加。因此，离子注入机也增大了，并且用于安装离子注入机所需的面积也增加了。进而，分析电磁石40的重量增加了。而且，由连接部分16、22所产生的在轭36外的磁场(该磁场也叫做边缘场)干扰离子束2的形状(指形状和姿态，下同)的可能性增加。
(2)线圈12、18的功率消耗较大。这主要是由下述原因造成的。
(a)连接部分16、22没有产生用于偏转离子束2的磁场。如上所述，连接部分16、22的突出距离L1较大。因此，连接部分16、22的长度相应地增加，并且在连接部分16、22中功率消耗不经济的较大。这造成线圈12、18的功率消耗增加。
(b)如上所述，线圈12、18为被覆导体的多匝线圈。因此，难以增加线圈12、18的部件中的导体面积的比例(也就是，导体的占空系数)。因此，功率损耗相应较大，并且功率消耗增加。在其中被覆导体为空心导体的情况下，导体的占空系数进一步减小，因此功率损耗进一步增大。因此，功率消耗进一步增加。
如上所述，当线圈12、18的功率消耗较大时，分析电磁石40的功率消耗较大，并且因此离子注入机的功率消耗也较大。
发明内容
本发明的示例性实施例减少了线圈连接部分的突出距离，从而减少了分析电磁石的尺寸和功率消耗，并且因此减少了离子注入机的尺寸和功率消耗。
根据本发明第一方面的离子注入机之一是
(a)一种离子注入机，其中离子束的前进方向被设置为Z方向，在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向，并且其中Y方向的尺寸大于X方向的尺寸的带状离子束被照射到衬底上，从而执行离子注入，其中离子注入机包括：
离子源，其产生带状离子束，其中Y方向尺寸大于衬底的Y方向尺寸；
分析电磁石，其在X方向上使来自离子源的离子束发生弯曲以分析动量，并且在离子束下游侧形成期望动量的离子束的焦点；
分析缝，其置于来自分析电磁石的离子束的焦点附近，并且与分析电磁石合作以分析离子束的动量；
加速/减速设备，其通过静电场在X方向上使穿过分析缝的离子束发生弯曲，并且通过静电场来加速或减速离子束；以及
衬底驱动设备，其在其中使穿过加速/减速设备的离子束入射到衬底上的注入位置处，在与离子束的主面相切的方向上移动衬底，
(b)分析电磁石，包括：
线圈，其具有：一套主体部分，其在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对；以及至少一套连接部分，其在Z方向上与主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径，该线圈产生在X方向上弯曲离子束的磁场；以及
轭，整个地包围线圈的主体部分的外侧，以及
(c)分析电磁石的线圈具有如下机构：其中的凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分，该叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
在组成离子注入机的分析电磁石中，配置线圈使得凹槽部分位于如上所述的扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分，并且因此连接部分处于其中该部分在来自基本上平行的主体部分的末端部分的Y方向上延伸的状态。因此，甚至在其中主体部分的Y方向上的尺寸增加的情况下，通过相应增加连接部分的Y方向上的尺寸来处理这种情况。结果，在束入射和发射的方向上连接部分的突出距离没有增加。根据该结构，可以减少线圈的连接部分在束入射和发射的方向上从轭所投射的距离。
与可以减少线圈的连接部分的突出距离相对应，还可以缩短连接部分的长度，并且因此可以减少连接部分中不经济的功率消耗。而且，该线圈的结构中，通过在其间***绝缘片来将导体片堆叠起来。因此，与其中将被覆导体缠绕多次的多匝线圈相比，导体的占空系数较高，并且功率损耗相应较低。因此，可以减少功率消耗。
结果，可以减少分析电磁石的尺寸和功率消耗，并且因此可以减少离子注入机的尺寸和功率消耗。
根据本发明第二方面，可配置分析电磁石因此分析电磁石包括：
第一线圈，它是一种马鞍形线圈，具有：一套主体部分，在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径。第一线圈与第二线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的磁场；
第二线圈，它是一种马鞍形线圈，具有：一套主体部分，在横跨射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的另一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径。第二线圈与第一线圈在Y方向上重叠放置，并且与第一线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的磁场；以及
轭，整个地包围第一线圈和第二线圈的主体部分的外侧，并且
分析电磁石的第一和第二线圈的每一个具有如下结构：其中的凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分，该叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
根据本发明的第三方面，可配置分析电磁石因此分析电磁石包括：
内线圈，具有：一套主体部分，在横跨离子束穿过的射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的端部分相互连接，同时避免射束路径，内线圈产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
一或多个第一外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于内线圈的外部，并且在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的端部分相互连接，同时避免射束路径，第一外线圈产生次磁场，用于辅助或校正主磁场；
一或多个第二外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于内线圈的外部，并且在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径。第二外线圈与第一外线圈在Y方向上重叠放置，并且产生用于辅助或校正主磁场的次磁场；以及
轭，整个地包围内线圈、以及第一和第二外线圈的主体部分的外侧，并且
分析电磁石的内线圈以及第一和第二外线圈的每一个具有如下结构，其中的凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分，该叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
根据本发明的第四方面，配置分析电磁石从而分析电磁石包括：
第一内线圈，它是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径，第一线圈与第二内线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
第二内线圈，它是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，在横跨射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的另一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径，第二内线圈与第一内线圈在Y方向上重叠放置，并且与第一内线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
一或多个第一外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于第一内线圈的外部，并且在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径，第一外线圈产生次磁场，用于辅助或校正主磁场；
一或多个第二外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于第二内线圈的外部，并且在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，与Z方向上的主体部分的末端部分相互连接，同时避免射束路径，第二外线圈与第一外线圈在Y方向上重叠放置，并且产生用于辅助或校正主磁场的次磁场；以及
轭，整个地包围第一和第二内线圈以及第一和第二外线圈的主体部分的外侧，
分析电磁石的第一内线圈和第一外线圈的每一个具有如下结构：其中的凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分。该叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体，并且
分析电磁石的第二内线圈和第二外线圈的每一个具有其中凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分的结构。该叠层线圈如下配置：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
根据本发明的第五方面，可配置分析电磁石从而分析电磁石进一步包括一套磁极，其从轭向内部突出，以便在横跨射束路径的Y方向上彼此相对。
根据本发明的第六方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：焦点校正透镜，其置于离子源和分析电磁石之间，以及分析电磁石和分析缝之间中的至少一个中，并且通过静电场来执行校正，以使离子束的焦点位置与分析缝的位置相重合。
根据本发明的第七方面，可配置焦点校正透镜从而焦点校正透镜包括入口、中间和出口电极，其排列在离子束前进方向上，同时在其间形成间隙。焦点校正透镜的入口、中间和出口电极的每一个具有电极对，在横跨离子束所穿过的间隙的X方向上彼此相对，并且彼此导电，焦点校正透镜的入口和出口电极维持在同一电势，并且中间电极维持与入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使离子束的焦点与分析缝的位置相重合。
根据本发明的第八方面，可配置加速/减速设备从而加速/减速设备包括第一至第三电极，它们在离子束前进方向上从上游侧开始按照第一、第二和第三电极的顺序放置，并且在第一和第二电极，以及第二和第三电极之间的两阶段中加速或减速离子束，第二电极是由横跨离子射束路径的X方向上彼此相对的两个电极元件所配置，并且这两个电极元件被施加不同的电势以便在X方向上偏转离子束，并且第三电极沿偏转之后具有特定能量的离子束的轨道放置。
根据本发明的第九方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：轨道控制透镜，其置于分析电磁石和加速/减速设备之间，通过静电场在Y方向上弯曲离子束，并且它具有排列在离子束前进方向上的入口、中间和出口电极，同时在它们之间形成间隙，其中轨道控制透镜的入口、中间和出口电极的每一个具有在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电的电极对，轨道控制透镜的中间电极具有在Y方向上弯曲的凸表面，在离子束前进方向上的上游和下游侧表面的每一个上，轨道控制透镜的入口和出口电极的每一个在与中间电极的凸表面相对的表面中具有凹表面，凹表面沿着凸表面延伸，并且轨道控制透镜的入口和出口电极维持在相同电势，并且中间电极维持与入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使由轨道控制透镜所得到的离子束的Y方向上的轨道状态达到期望状态。
根据本发明的第十方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：轨道控制透镜，其置于分析电磁石和加速/减速设备之间，通过静电场在Y方向上弯曲离子束，并且它具有排列在离子束前进方向上的入口、中间和出口电极，同时在它们之间形成间隙，其中轨道控制透镜的入口、中间和出口电极的每一个具有在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电的电极对，轨道控制透镜的中间电极具有在Y方向上弯曲的凹表面，在离子束前进方向上的上游和下游侧表面的每一个上，轨道控制透镜的入口和出口电极的每一个在与中间电极的凹表面相对的表面中具有凸表面，凸表面沿着凹表面延伸，并且轨道控制透镜的入口和出口电极维持在相同电势，并且中间电极维持与入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使由轨道控制透镜所得到的离子束的Y方向上的轨道状态达到期望状态。
根据本发明的第十一方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：均匀化透镜，其置于分析电磁石和加速/减速设备之间，它在Y方向上具有在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电的多对电极，其通过静电场在离子束的Y方向上的多个位置弯曲轨道，并且其使在注入位置处的离子束的Y方向上射束电流密度分布均匀。
根据本发明的第十二方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：偏转电磁石，其置于分析电磁石和注入位置之间，在离子束穿过的射束路径中产生沿着X方向延伸的磁场，其中偏转电磁石包括：第一磁极对，具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的一侧的大约一半或更多；第二磁极对，具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的另一侧的大约一半或更多；以及线圈，在第一磁极对中的间隙中和第二磁极对中的间隙中产生相反的磁场，其中随着距离射束路径的中心在Y方向进一步向外分离，则构成第一和第二磁极对的磁极在离子束前进方向上的长度越大。
根据本发明的第十三方面，可配置离子注入机从而离子注入机进一步包括：偏转电磁石，其置于分析电磁石和注入位置之间，在离子束穿过的射束路径中产生沿着X方向延伸的磁场，其中偏转电磁石包括：第一磁极对，具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的一侧的大约一半或更多；第二磁极对，具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的另一侧的大约一半或更多；以及线圈，在第一磁极对中的间隙中和第二磁极对中的间隙中产生相对的磁场，其中随着距离射束路径的中心在Y方向进一步向外分离，则第一和第二磁极对中的间隙长度越小。
根据本发明提出的第一至第四方面，在分析电磁石每一个线圈的结构中，凹槽部分置于如上所述的扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分和连接部分，并且因此该连接部分处在其中这些部分在从主体部分的末端部分开始在Y方向上基本平行的延伸的状态。甚至在其中在主体部分的Y方向上的尺寸增加的情况下，因此，通过相应增加连接部分的Y方向上的尺寸来处理这种情况。结果，连接部分在束入射和发射的方向上的突出距离没有增加。根据该结构，可以减少线圈的连接部分在束入射和发射的方向上从轭被投射的距离。
可以减少分析电磁石的尺寸，并且因此可以减少用于安装分析电磁石所需的面积。另外，可以减少分析电磁石的重量。而且，减少了通过线圈的连接部分所产生的磁场干扰离子束形状的可能性。
由于可以减少每一个线圈的连接部分的突出距离，还可以缩短连接部分的长度，并且因此可以减少连接部分中不经济的功率消耗。而且，每一个线圈具有其中导电薄片被堆叠起来并且其间***了绝缘薄片的结构。因此，与其中被覆导体被缠绕多次的多匝线圈相比，导体的占空系数较高，并且功率损耗相应较低。因此，可以减少功率消耗。
结果，随着分析电磁石的微型化，可以减小离子注入机的尺寸，并且因此可以减少用于安装分析电磁石所需的面积。另外，可以减少分析电磁石的重量。而且，随着分析电磁石的功率消耗的减小，可以减少离子注入机的功率消耗。
此外，本发明提出的的第一至第四方面可以得到下述效果。
离子注入机包括离子源，其产生带状离子束，其中Y-方向尺寸大于衬底的Y方向上的尺寸。因此，与其中在离子束的Y方向上进行分散或加宽的情况相比，可以以较高的处理速度(吞吐量)来执行离子注入，甚至在大的衬底上。这一效果在其中需要处理衬底的情况下更为显著，并且因此离子束具有较大的Y-方向尺寸。
加速/减速设备不仅可以执行离子束的加速/减速，而且可以执行离子束的X-方向偏转。因此，可以有选择地得到期望能量的离子束，并且可以抑制能量污染。进而，这些功能可以在单个加速/减速设备中实现。因此，与其中能量分析仪被单独放置的情况相比，可以缩短离子束的传送路经。因此，可以提高离子束的传送效率。
本发明提出的第二方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于分析电磁石包括第一和第二线圈，因此可以容易地处理具有较大Y-方向尺寸的离子束。
本发明提出的第三方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于分析电磁石除了包括内部线圈以外还包括第一和第二外部线圈，因此可以在离子束的射束路径上产生其中磁通密度分布在Y方向上的均匀化较高的磁场。结果，可以将对发射的离子束形状的干扰降至较低水平。这一效果在其中离子束具有较大Y-方向尺寸的情况下更为显著。
本发明提出的第四方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于分析电磁石除了包括第一和第二内部线圈以外还包括第一和第二外部线圈，因此可以容易地处理具有较大Y-方向尺寸的离子束，并且还在离子束的射束路径上产生其中磁通密度分布在Y方向上的均匀化较高的磁场。结果，可以将对发射的离子束形状的干扰降至较低水平。这一效果在其中离子束具有较大Y-方向尺寸的情况下更为显著。
本发明提出的第五方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于分析电磁石进一步包括磁极，所以磁场可以容易地集中于磁极之间的间隙中，并且因此可以在射束路径上容易地产生高磁通密度的磁场。
本发明提出的第六方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于离子注入机包括焦点校正镜头，其通过静电场执行使来自电磁石的离子束的焦点位置与分析缝的位置相重合的校正，因此可以防止离子束的焦点因空间电荷的影响而偏离分析缝的位置。结果，当补偿空间电荷的影响时，可以提高离子束的传送效率和分辨率。
本发明提出的第七方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于焦点校正透镜起到单电位透镜的作用(换句话说，单透镜，下同)，因此可以在不改变离子束能量的情况下来校正离子束的焦点位置。
本发明提出的第八方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，在加速/减速设备中，离子束可以被第二电极的部分所偏转，该电极由两个电极元件分隔开的配置，从而实现能量分离的效果。第三电极的存在能够有效得到具有特定能量的离子束，并且第三电极可以有效阻挡除了离子束以外的离子和中性粒子。因此，可以更加有效地抑制能量污染。特别是，根据经验可以知道，在减速模式下，可以通过在第一和第二电极之间的离子减速中进行电荷转换而容易地产生中性粒子。不过，甚至当产生许多中性粒子时，它们直接前进并且碰撞到第三电极上从而被阻挡。因此，可以在加速/减速设备中有效地消除中性粒子。
此外，可以在两个阶段加速离子束，并且，离子束可以在后一个阶段中的加速之前被偏转。因此，有助于偏转。而且，由多余离子的碰撞所产生的电子被第二电极所弯曲，从而防止电子到达第一电极。因此，可以降低由电子的碰撞而产生的X射线的能量。
本发明提出的第九和第十方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，轨道控制透镜起到单电位透镜的作用，并且因此在不改变离子束能量的情况下可以将在离子束的Y方向上的轨道状态设置为期望状态。
而且，如上所述，构成轨道控制透镜的中间电极具有在Y方向上弯曲的凹表面，并且入口和出口电极分别具有沿着凹表面延伸的表面。因此，大大提高了电极之间间隙中的电场分布在Y方向上的均匀化程度。结果，甚至当Y方向上的尺寸较大时，可以将在离子束的Y方向上的轨道状态设置为具有高度均匀化程度的期望状态。
本发明提出的第十一方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，由于提供了均匀化透镜，因此可以使位于注入位置处的离子束的Y方向上的射束电流密度分布均匀，并且可以提高衬底上的离子注入的均匀化程度。这一效果在当需要处理衬底的情况下更为显著，并且因此离子束具有大的Y-方向尺寸。
本发明提出的第十二和十三方面可以获得下述进一步的效果。也就是说，在位于第一磁极对和第二磁极对之间的间隙中，随着离子束在Y方向上进一步向外远离射束路径的中心，离子束越强的弯曲。根据该结构，可以控制离子束的轨道状态。
通过下面的详细描述、附图和权利说明，可以使其他特征和优势更加明显。
附图说明
图1为示意性平面图，示出了本发明的离子注入机的实施例。
图2为示意性透视图，部分地示出了带状离子束的例子。
图3示出了在离子束与衬底之间在Y方向上的尺寸关系的例子。
图4为平面图，示出了如图1所示的分析电磁石的例子。
图5为沿着图4的线A-A观察的截面图。
图6为透视图，示出了如图4所示的分析电磁石，其中省略了真空容器。
图7为透视图，示出了如图4所示的分析电磁石。
图8为透视图，示出了如图7所示的第一和第二内线圈。
图9为示意图，放大性地示出了沿着图7的线D-D观察的第一内外线圈的截面。
图10为截面图，分解性地示出了如图9所示的第一内线圈和最上面第一外线圈。
图11为示意性平面图，示出了缠绕如图10所示的导体片的方式。
图12为透视图，示出了如图8所示的第一内线圈。
图13示出了用于如图4所示的分析电磁石的线圈的电源结构的例子。
图14为透视图，示出了作为如图7所示的第一和第二内线圈的原物的叠层线圈的例子。
图15分解性地示出了沿着图14的线F-F观察的内外线圈的截面。
图16为平面图，示出了使用心轴来缠绕预浸料坯片的方式的例子。
图17为平面图，示出了使用心轴来缠绕绝缘片和导体片的方式的例子。
图18为平面图，示出了已经使用心轴缠绕的叠层线圈的例子。
图19为截面图，示出了冷却板附着到第一和第二内线圈的例子。
图20示出了刚从分析电磁石中发射出的具有普通形状的离子束的例子。
图21示出了刚从分析电磁石中发射出的具有扭曲形状的离子束的例子。
图22为透视图，示出了分析电磁石的线圈的另一例子。
图23分解性地示出了沿着图22的线J-J观察的线圈的截面。
图24为截面图，示出了对应于图5的分析电磁石的另一例子。
图25为截面图，示出了对应于图5的分析电磁石的又一例子。
图26为截面图，示出了对应于图5的分析电磁石的又一例子。
图27为正视图，示出了如图1所示的分析缝的例子。
图28示出了如图1所示的焦点校正透镜附近的例子。
图29为透视图，示出了焦点校正透镜的例子。
图30示出了由置于分析电磁石的上游侧上的焦点校正透镜来校正离子束的焦点位置的例子。
图31示出了由置于分析电磁石的下游侧上的焦点校正透镜来校正离子束的焦点位置的例子。
图32示出了由置于分析电磁石的上游侧和下游侧上的焦点校正透镜来校正离子束的焦点位置的例子。
图33为示意图，示出了在其中离子束的空间负荷不完全是中性的情况下，在与分析电磁石的出口隔开640mm的位置中离子束的射束电流分布的例子。
图34为示意图，示出了在其中离子束的空间负荷不完全是中性的情况下，在与分析电磁石的出口隔开640mm的位置中离子束的射束电流分布的例子。
图35为示意图，示出了在其中当离子束的空间负荷不完全是中性时离子束的焦点位置是由焦点校正透镜来校正的情况下，在与分析电磁石的出口隔开640mm的位置中离子束的射束电流分布的例子。
图36为示意图，示出了被施加到焦点校正透镜的中间电极的直流电压和由第一射束电流测量设备所测量的射束电流之间的关系的例子。
图37为示意图，示出了被施加到焦点校正透镜的中间电极的直流电压和由第一射束电流测量设备所测量的射束电流之间的关系的另一例子。
图38部分地示出了用于测量流经分析缝的射束电流的第二射束电流测量设备的附近的例子。
图39为示意图，示出了被施加到焦点校正透镜的中间电极的直流电压和由第二射束电流测量设备所测量的射束电流之间的关系的例子。
图40为横截面图，示出了如图1所示的加速/减速设备的例子。
图41为剖面图，放大性地示出了如图1所示的轨道控制透镜以及电源。
图42示出了如图41所示的轨道控制透镜的电极之间的等电势线的分布的例子。
图43示出了其中在如图41所示的轨道控制透镜中，在Y方向上发散的入射离子束是来源于平行射束的例子。
图44示出了其中在如图41所示的轨道控制透镜中，在Y方向上平行的入射离子束是来源于收敛射束的例子。
图45示出了其中在如图41所示的轨道控制透镜中，在Y方向上发散的入射离子束是来源于发散射束的例子。
图46为透视图，示出了轨道控制透镜和电源的另一例子。
图47示出了其中在如图46所示的轨道控制透镜中，在Y方向上发散的入射离子束是来源于平行射束的例子。
图48为平面图，示出了均匀化透镜的例子。
图49示出了从离子传输方向上观察如图48所示的均匀化透镜和电源的例子。
图50为正视图，示出了偏转电磁石和电源的例子。
图51为沿着图50的线M-M观察的侧面图并且示出了其中发散射束形成为平行射束的情况。
图52为沿着图50的线M-M观察的侧面图并且示出了其中收敛射束形成为平行射束的情况。
图53为前视图，示出了偏转电磁石和电源的另一例子。
图54为沿着图53的线N-N观察的侧面图并且示出了其中收敛射束形成为平行射束的情况。
图55为沿着图53的线N-N观察的侧面图并且示出了其中收敛射束形成为平行射束的情况。
图56为透视图，示出了其中轭是由两点虚线表示以有助于理解线圈的形状的常规分析电磁石的例子。
具体实施方式
(1)关于整个离子注入机
图1为示意性平面图，示出了本发明的离子注入机的实施例。在说明书和附图中，离子束50的传输方向总是被设置为Z方向，并且在与Z方向基本垂直的平面上相互基本垂直的两个方向被分别设置为X和Y方向。例如，X和Z方向为水平方向，而Y方向为垂直方向。Y方向为恒定的方向，而X方向不是绝对方向，而是根据路径上的离子束50的位置变化(例如，参见图1和4等)。在说明书中，将其中构成离子束50的离子为正离子的情况作为例子进行描述。
离子注入机为用于在衬底60上照射带状离子束50以执行离子注入的离子注入机，并且它包括：离子源100，其产生带状离子束50；分析电磁石200，其在X方向上从离子源100对离子束50进行弯曲以分析动量，并且在下游侧上形成了期望动量的离子束50的焦点56(在X方向上的焦点，下同)；以及衬底驱动设备500，其在其中穿过分析电磁石200的离子束50在衬底60上所入射的注入位置上，在与离子束50的主面52(见图2和3)相交的方向上移动(见箭头C)衬底60。
离子束50从离子源100到衬底60的路径在图中未示出并且维持为真空的真空容器中。
在说明书中，“主面”并不是指带状或片状元件(例如后面将描述的离子束50，以及绝缘片266、267和导体片268、269)的端面，而是指元件的较大表面。“下游侧”或“上游侧”一词指的是离子束50在传输方向Z上的下游侧或上游侧。由离子源100产生的离子束50和源于分析电磁石200的离子束50在内容上彼此不同。也就是说，前者为动量分析之前的离子束，而后者为动量分析之后的离子束。离子束之间的差别是明显的。因此，在说明书中，离子束彼此不区分，两者都用离子束50来表示。
由离子源100产生并且被传输到衬底60的离子束50具有带状形状，其中如图2所示，例如Y方向上的尺寸WY大于X方向上的尺寸WX，也就是WY＞WX。虽然离子束50具有带状形状，但是这并不意味着X方向上的尺寸WX像纸或布一样薄。例如，离子束50在X方向上的尺寸WX约为30至80mm，并且，尽管取决于衬底60的尺寸，在Y方向上的尺寸WY约为300至500mm。其中离子束50较大的平面，也就是沿着YZ平面的平面为主面52。
离子源100产生带状离子束50，其中与如图3所示的例子中的一样，Y方向上的尺寸WY大于衬底60在Y方向上的尺寸TY。当尺寸TY约为300至400mm时，例如，尺寸WY约为400至500mm。
例如，衬底60为半导体衬底、玻璃衬底或者其他衬底。衬底的平面图形状为园形或矩形。
在从分析电磁石200发射出的离子束50的焦点56的附近，放置了裂缝70，其与分析电磁石200合作以分析离子束50的动量。另外如图27所示，分析缝70具有基本平行于Y方向进行延伸的裂缝72。分析缝70置于离子束50的焦点56的附近的原因在于离子束50的传输效率和动量分析的分辨率都提高了。
离子注入机进一步包括：焦点校正透镜600、610，其校正离子束50的焦点56的位置；轨道控制透镜700a、700b，其控制离子束50在Y方向上的轨道状态；以及加速/减速设备400，其执行离子束50的偏转和加速/减速。下面来详细描述这些组件。
(2)关于分析电磁石200
下面依次描述分析电磁石200的整个结构、线圈的结构细节、产生线圈的方法和分析电磁石200的特征、控制方法和其他例子等。
(2-1)分析电磁石200的整个结构
分析电磁石200的例子如图4至6等所示。图6示出了分析电磁石，其中省略了真空容器236。配置分析电磁石200使得带状离子束50碰撞在电磁石上，在离子束50所穿过的射束路径202中产生了沿着Y方向的磁场，并且离子束50在X方向上被弯曲，以执行动量分析。磁场用图5中的磁力线204等来概略的表示。当离子束50碰撞在分析电磁石200上时，传输中的离子束50受到磁场的从传输方向Z上看向右导向的Lorentz力FX。结果，动量分析得到执行。离子束50的中心轨道54用图4中的单点连线来表示，并且其曲率半径如R所示。分析电磁石200使得离子束50偏转的角度(偏转角度)用α表示。
例如，曲率半径R为300至1,500mm，并且偏转角度α为60至90度。图4示例性的示出了其中偏转角度α为90度的情况。
另外参照图7，分析电磁石200包括第一内线圈206、第二内线圈21 2、一个或多个(在本实施例中为3个)第一外线圈218、一个或多个(在本实施例中为3个)第二外线圈224、轭230和一套磁极232。射束路径202被由非磁性材料制成并且维持真空的真空容器236所包围。真空容器236还被称为分析管。
如图8所示，提取第一和第二内线圈206、212。参照附图更容易理解这些线圈。
在该例子中，线圈206、212、218、224的形状为在Y方向上基本平面对称于对称平面234(见图5等)，其穿过射束路径202在Y方向上的中心，并且平行于XZ平面。后面要描述的线圈320(见图22和24等)、第一线圈326和第二线圈328(见图25)是以相似的方式进行配置的。当采用这种平面对称结构时，在射束路径202中可以容易地产生在Y方向上具有高对称性的磁场。这有助于抑制对离子束50在从分析电磁石200中发射出时形状的扰乱。
在下文，由于如上所述，第二外线圈相对于第一外线圈218是平面对称的，因此当多个第一外线圈218和多个第二外线圈224需要相互区别时，如图5、9、13等所示，第一外线圈218被表示为从Y方向上的上侧开始的第一外线圈218a、218b、218c，并且第二外线圈224被表示为从Y方向上的下侧开始的第二外线圈224a、224b、224c。
在其中表示组件的标记例如线圈206在附图中被标以下划线的情况下，它意味着这个标记表示诸如线圈等整个组件。
主要参照图8和12，第一外线圈206为马鞍形线圈，它具有：一套主体部分208，其在横跨射束路径202的X方向上彼此相对，并且覆盖大约离子束50在Y方向上的一侧(在本实施例中为上侧)的一半或更多(换句话说，基本上是一半或更多)；以及一套连接部分210，其与在Z方向上的主体部分208的末端部分(换句话说，位于分析电磁石200的入口238的侧面上的末端部分，和位于出口240的侧面上的末端部分，这也适用于其他线圈)相互连接，同时避开射束路径202。第一内线圈与第二内线圈212合作以产生在X方向上弯曲离子束50的主磁场。主磁场为主要以基本上预定的曲率半径R弯曲离子束50的磁场。
因为当从整体上看时，线圈具有马鞍形状，所以第一内线圈206被称为马鞍形线圈。相同的适用于后面将描述的其他线圈212、218、224和线圈326和328。
为了防止离子束50碰撞在连接部分210上并且减少由该部分所产生的磁场在离子束50上所施加的影响，连接部分与在Y方向上朝着上侧的射束路径202隔开。出于与上述相同的目的，其他线圈的连接部分与在Y方向上朝着上侧或下侧的射束路径202隔开。
主要参照图8，第二内线圈212为马鞍形线圈，它具有：一套主体部分214，其在横跨射束路径202的X方向上彼此相对，并且在Y方向上覆盖大约离子束50的另一侧(在本实施例中为下侧)的一半或更多(换句话说，基本上为一半或更多)；以及一套连接部分216，其与在Z方向上的主体部分214的末端部分相互连接，同时避开射束路径202。第二内线圈在Y方向上与第一内线圈206重叠放置，并且与第一内线圈206合作以产生在X方向上弯曲离子束50的主磁场。也就是说，第二内线圈212产生方向与第一内线圈206的磁力线方向相同的磁力线204。
第二内线圈212具有与第一内线圈206类似的尺寸和结构。通常，导体的匝数(确切地说为导体片268，参见图10等)等于第一内线圈206的匝数。不过，如上所述，第二内线圈具有相对于第一内线圈206的对称平面234的平面对称形状。连接部分216相对于横跨射束路径202的连接部分210置于Y方向上的相对侧(也就是下侧)。
虽然如图8中的线表示，在第一内线圈206和第二内线圈212之间形成了微小(例如约20mm)间隙242。在该间隙中，可以放置将在后面描述的总共有两个的冷却板312(参见图19)，或者，在第一内线圈206的侧面上放置一个冷却板，并且在第二内线圈212的侧面上放置一个冷却板。
主要参照图7，第一外线圈218的每一个都为马鞍形线圈，它具有：一套主体部分220，其位于第一内线圈206的外部，并且在横跨射束路径202的X方向上彼此相对；以及一套连接部分222，其与在Z方向上的主体部分220的末端部分相互连接，同时避开射束路径202。第一外线圈产生帮助或校正主磁场的次磁场。第一外线圈218在Y方向上的放置是相互重叠的。
确切地说，每一个第一外线圈218的主体部分220和连接部分222的侧向部分(与如图12所示的侧向部分284相对应的部分)在Y方向上的放置是相互重叠的。虽然严格地说，很难说连接部分222的垂直部分(与如图12所示的垂直部分282相对应)如上所述重叠放置，但是可以说，从整体来看时，第一外线圈218在Y方向上的放置是相互重叠的。第二外线圈224是以类似方式配置的。
第一外线圈218具有与第一内线圈206基本相似的结构。不过，Y方向上的尺寸要小于第一内线圈206Y方向上的尺寸，并且另外导体的匝数通常小于第一内线圈206的匝数。第一外线圈218具有与导体(确切地说为导体片269，参见图10等)相同的匝数。在本实施例中，第一外线圈218具有不同的Y-方向尺寸。可选情况下，他们具有相同的Y-方向尺寸。第二外线圈224是以类似方式配置的。
例如，第一和第二内线圈206、212中的主体部分和连接部分的Y-方向尺寸约为230mm，在第一和第二外线圈218a、224a中的主体部分和连接部分的Y-方向尺寸约为50mm，在第一和第二外线圈218b、224b中的主体部分和连接部分的Y-方向尺寸约为60mm，并且在第一和第二外线圈218c、224c中的主体部分和连接部分的Y-方向尺寸约为100mm。
虽然如图7中的线表示，在第一外线圈218和第二外线圈224之间，以及在最下面的第一外线圈218(218c)和最上面的第二外线圈224(224c)之间分别形成了微小间隙244、246、248(另外参见图9)。在这些间隙中，可以放置下面要描述的冷却板312(参见图19)。例如，间隙244、246的尺寸约为10mm，并且间隙248的尺寸等于间隙242的尺寸或者约为20mm。间隙244、246置于沿着各自的外线圈218和224的整个周边上。
第一外线圈218可以产生与由第一和第二内线圈206、212所产生的磁场的方向相同或相反的磁场。可选情况下，磁场的方向可以通过控制进行反向。第二外线圈224是以类似方式配置的。由第一外线圈218的主体部分220所产生的磁力线(磁场)的一部分朝着射束路径202传播(换句话说为泄漏)，因此主磁场受到影响。因此，第一外线圈218可以产生帮助或校正主磁场的次磁场。在这种情况下，第一外线圈218的每一个在线圈的内侧的附近区域中施加辅助或校正磁场的影响。第二外线圈224是以类似方式配置的。
主要参照图7，第二外线圈224的每一个都为马鞍形线圈，它具有：一套主体部分226，位于第二内线圈212的外部，并且在横跨射束路径202的X方向上彼此相对；以及一套连接部分228，其与在Z方向上的主体部分226的末端部分相互连接，同时避开射束路径202。第二外线圈产生辅助或校正主磁场的次磁场。第二外线圈224在Y方向上相互重叠的放置，并且在Y方向上与第一外线圈218重叠放置。
第二外线圈214具有与第二内线圈212基本相似的结构。不过，Y方向上的尺寸要小于第二内线圈212的尺寸，并且另外导体的匝数通常小于第二内线圈212的匝数。导体(确切地说为导体片)的匝数和第二外线圈224在Y-方向尺寸如上所述。
下面描述每一个导体的匝数的例子。第一和第二内线圈206、212的匝数约为110匝，并且第一和第二外线圈218、224的匝数约为85匝。
线圈的主体部分208、214、220、226的每一个都几乎整个位于轭230中，并且因此可以说，该部分就是射束路径202中产生期望磁场(主磁场或次磁场)的部分。后面将描述的线圈320的主体部分322是以类似方式配置的。
可以说，线圈的连接部分210、216、222、228为在Z方向上相互电气连接各自的一套主体部分的末端部分的部分，并且与主体部分合作以形成环状导电路径。后面将描述的线圈320的连接部分324、325是以类似方式配置的。
图5为沿着图4的线A-A观察的纵向截面图，并且因此示出了线圈206、212、218、224的主体部分208、214、220和226。另外，后面将描述的图24至26示出了线圈的主体部分。
轭230由铁磁材料制成，并且共同地围绕线圈206、212、218、224的主体部分208、214、220和226的外侧。由此配置的轭230另外产生了可以减少泄露到外部的磁场的影响。轭230具有所谓的扇状平面图形状，如图4所示。轭230的截面形状(沿着XY平面的截面)为矩形的帧状形状。由此配置的轭230也被称为窗帧型轭。
在本实施例中，组成轭230的上轭231是可分离的。后面将描述使用上轭231的方式。
一套磁极232由铁磁材料制成，并且从轭230向内突出例如15mm，以在横跨射束路径202的Y方向上彼此相对。每一个磁极232的平面图形状为弓形形状，其沿着如图4所示的离子束50的中心轨道54进行延伸。该形状也被称为扇形形状。磁极232之间的间隙长度G略大于(例如约100至150mm)离子束50在Y方向上的尺寸WY。磁极232不是必要的。不过，当放置了磁极时，磁力线204可以容易地集中在磁极232之间的间隙中，并且因此有助于在射束路径202中产生具有高磁通密度的磁场。
例如，磁极232之间的间隙长度G具有的尺寸等于或大于曲率半径R的1/2。当曲率半径R为800mm时，确切地说间隙长度G为例如500mm。通常，间隙长度G大于磁极232的宽度WG。也就是说，G≥WG。根据这种尺寸关系，可以防止磁极232和轭230被不必要地放大。
在图5至7中，间隙看起来存在于第一内外线圈206、218之间，以及第二内外线圈212、224之间。在本实施例中，如图9和10所示的叠层绝缘器262***在间隙中。
(2-2)线圈的结构等
接下来，将详细描述线圈的结构等。图9为示意图，放大性地示出了沿着图7的线D-D观察的第一内外线圈的截面，并且图10为截面图，分解性地示出了如图9所示的第一内线圈和最上面的第一外线圈。
在第一内外线圈206、218的结构中，凹槽部分272至275(见图7)置于扇形圆柱形叠层线圈290中(见图14)，同时离开主体部分208、220和连接部分210、220。在扇形圆柱形叠层线圈中，其中主面266a沿着Y方向延伸的绝缘片266和其中主面268a沿着Y方向延伸的导体片268的迭片结构(一套264)以在第一叠层绝缘体261的***表面上缠绕几匝的方式被堆叠(在与Y方向相交的箭头270的方向上被堆叠，下同)，第二叠层绝缘体262形成于迭片结构的***表面上，其中主面267a沿着Y方向延伸的绝缘片267和其中主面269a沿着Y方向延伸的导体片269的迭片结构(一套265)以在绝缘体的***表面上缠绕几匝的方式被堆叠，并且第三叠层绝缘体263形成于迭片结构的外部上。
为了有助于理解凹槽部分272至275，在图12中示出了第一内线圈206的凹槽部分272至275。另外，类似的凹槽部分272至275置于第一外线圈218中。
轭230被安装到位于曲率半径R的外方向和内方向中的两个凹槽部分272、273中。也就是说，它们的形状对应于轭230的形状。后面将描述的线圈320的凹槽部分276至279是以类似方式配置的。位于离子束50的传输方向Z的侧面上的两个凹槽部分274、275分别形成了入口238和出口240的上半部分。
第二叠层绝缘体261可以被看作是构成了第一内线圈206(图10示出了这种情况)，或者可以被看作是构成了第一外线圈218，或者可以被看作是由线圈206、218共享。
图15示出了如图14所示的叠层线圈290的截面结构。如图15所示，叠层线圈是由其截面结构与图10的截面结构相同的内外线圈292、294配置的。另外在这种情况下，第二叠层绝缘体262可以被看作是构成了内线圈292(图15示出了这种情况)，或者可以被看作是构成了外线圈294，或者可以被看作是由线圈292、294共享。
在叠层线圈290中，分别对应于凹槽部分272至275的部分272a至275a被开槽，并且通过切削处理等进行去除，以形成凹槽部分272至275。然后，内线圈292被配置成第一内线圈206，并且外线圈294被配置成第一外线圈218。
此外，在本实施例的结构中，为了将第一外线圈218分成三个部分(三个步骤)，通过切削处理等将间隙244置于叠层线圈290的外线圈294中。
叠层线圈290的叠层绝缘体261、262、263的每一个都是通过例如在预浸料坯片上缠绕多匝形成的。图16中的预浸料坯片300为预浸料坯片。预浸料坯片为其中具有绝缘和抗热属性的支撑元件被注入了代被处理成半硬状态的绝缘树脂的薄片。
支撑元件是通过例如玻璃纤维或碳纤维配置的。树脂是通过例如环氧树脂或聚酰亚胺树脂配置的。通过使用这种预浸料坯片而形成的叠层绝缘体261至263可以被称为纤维增强塑料(FRP)。根据结构元件所需的强度可以充分地选择叠层绝缘体261至263的厚度。
绝缘片266、267的每一个为通过例如Nomex(注册商标)、Lumilar(注册商标)、Kapton(注册商标)或另一种绝缘片配置的薄片。根据所需绝缘强度等可以充分地选择绝缘片266、267的厚度。例如，厚度约为75μm，或者可以小于该值。
绝缘片268、269的每一个都是通过例如铜片或铝片配置的。根据待流经的电流可以充分地选择其厚度。例如，在铜片的情况下，厚度约为0.4mm，并且在铝片的情况下，厚度约为0.5mm。根据线圈在Y-方向上所需的尺寸可以充分地选择其在与Y方向相对应的方向上的宽度，并且例如为230mm(例如，在后面将描述的处理之前的宽度约为234mm)。另外可以根据该值来设置叠层绝缘体261至263和绝缘片266、267的宽度。
绝缘片266和导体片268可采用与如下所述的图10中的方式相反的方式重叠。导体片268可以置于第一内线圈206的内部(图10的左侧，也就是在叠层绝缘体261的侧面上)，并且绝缘片266可以重叠于外部放置。按照需要，绝缘片266可以与导体片268的两侧分别重叠的放置。第一外线圈218的绝缘片267和导体片269是以类似方式配置的。
如平面图所示，在第一内线圈206的导体片268的结构中，其以如图11所示的扇状形状被缠绕多匝，并且终端340被连接到薄片的末端。不过，匝数并不限于所示出的个数。当电流IM流经导体片268时，可以产生用于形成主磁场的磁力线204。另外，图12示出了相同的电流IM和磁力线204。
另外如平面图所示，第一外线圈218的导体片269具有与图11类似的结构。
第二内外线圈212、224是以与第一内外线圈206、218类似的方式进行配置的。不过，如上所述，线圈具有相对于第一内外线圈206、218的对称平面234的平面对称结构。
按照需要，用于执行线圈的加固的元件等可以进一步置于外部叠层绝缘体263(在如图23所示的情况下为叠层绝缘体262)的***上。
下面以第一内线圈206为例子，参照图12来更为详细地描述线圈的连接部分的结构例子。
第一内线圈206的连接部分210的每一个都具有：两个垂直部分282，其在Z方向上基本垂直连接到主体部分208的末端部分，并且基本平行于Y方向进行延伸；以及侧向部分284，其基本垂直连接到垂直部分282，并且基本平行于XZ平面进行延伸。也就是说，垂直部分282通过侧向部分284相互连接。因此，第一内线圈206具有：基本垂直于Y方向的侧向导电路径286；以及基本平行于Y方向的垂直导电路径288。也就是说，第一内线圈206的导电路径的大部分是通过导电路径286和288中除了边缘部分之外的组合配置的。导电路径286和288的所有位置上的当前密度被设置为彼此相同。
其他线圈212、218、224的连接部分216、222、228是以与连接部分210类似的方式配置的。因此，其他线圈212、218、224的每一个具有基本垂直于Y方向的侧向导电路径，以及基本平行于Y方向的垂直导电路径288。也就是说，线圈的导电路径的大部分是通过侧向导电路径和垂直导电路径中除了边缘部分之外的组合配置的。侧向和垂直导电路径的所有位置上的当前密度被设置为彼此相同。后面将描述的线圈320是以类似方式配置的。
优选的，如上所述的构成线圈的连接部分。根据该结构，可以确定地缩短从分析电磁石200的连接部分在射束入射和发射方向上的突出距离。后面将详细描述该突出距离。
图13示出了用于线圈的电源的结构例子。在例子中，DC主电源250被分别连接到第一和第二内线圈206、212。DC主电源250可以为第一和第二内线圈206、212分别供应在电平上基本相同的电流IM。这两个主电源250不需要单独放置，并且可以被配置成单个组合主电源。
此外，在该例子中，DC子电源252被分别连接到第一外线圈218(218a至218c)和第二外线圈224(224a至224c)。子电源252可以为第一和第二外线圈218、224分别供应电流Is，并且可以独立控制流经第一和第二外线圈218、224的电流Is。多个子电源252不需要单独放置，并且可以被配置成可以独立控制分别流经第一和第二外线圈218、224的电流Is的单个组合子电源。
(2-3)制造线圈的方法等
接下来，以第一内外线圈206、218为例来描述制造线圈的方法的例子。
首先，制造如图14所示的扇形圆柱形叠层线圈290。根据以下方式执行这个制造过程。
如图16所示，首先，具有以与如图14所示的叠层线圈290的弓形部分291相反的方式向外突出的弓形部分297的心轴296是绕着轴298按照箭头299所示的恒定方向旋转的，从而如上所述的预浸料坯片300被缠绕了多匝。结果，形成了如图15和17所示的叠层绝缘体261。
接下来，如图17所示，心轴296以如上所述的相同方式进行旋转，以当绝缘片266和导体片268相互重叠时，在叠层绝缘体261的***表面上缠绕和叠成绝缘片266和导体片268多匝。作为上述的结果，形成了如图15所示的绝缘片266和导体片268的迭片结构。
接下来，以与图16的情况相类似的方式，预浸料坯片300在绝缘片266和导体片268的迭片结构的***表面被缠绕多匝，从而形成了如图15所示的叠层绝缘体262。
接下来，以与图17的情况相类似的方式，当绝缘片267和导体片269相互重叠时，其在叠层绝缘体262的***表面上被缠绕多匝，从而形成了如图15所示的绝缘片267和导体片269的迭片结构。
接下来，以与图16的情况相类似的方式，预浸料坯片300在绝缘片267和导体片269的迭片结构的***表面被缠绕多匝，从而形成了如图15所示的叠层绝缘体263。
在上述步骤之后，去除心轴296，然后就得到了叠层线圈290a，其通过内线圈292和外线圈294配置，但是其中弓形部分291a是以与弓形部分291相反的方式进行突出或者突向外部。
当在导体片268的缠绕开始和结束部分中放置铅板时，通过使用铅板可以将导体片268连接到终端340(参见图11)。导体片269是以类似方式配置的。
优选情况下，在缠绕处理之前，将诸如金属粉等抛光粉(发射物)吹到导体片268、269的前侧和后侧的主面268a、269a(也就是应用了喷砂清理处理)，以使表面***糙。根据该结构，可以增加表面面积，并且可以增强相对于绝缘片266、267等的紧密接触。甚至当在导体片268、269的每一个的至少一个主表面上应用喷砂清理处理时，也可以得到该效果。不过，优选情况下在两个主表面上都应用该处理。这也适用于绝缘片266、267。
类似地，优选情况下将喷砂清理处理应用到绝缘片266、267的前侧和后侧的主面266a、267a，以使表面***糙。根据该结构，可以增加表面面积，并且可以进一步增强相对于导体片268、269等的紧密接触。
接下来，在叠层线圈290a的***缠绕热收缩胶带(图中未示出)，然后按照如图18中的箭头所示来按压弓形部分291a，以执行形成弓形部分291的成型处理。对所得到的产品进行热硫化。结果，得到了用于形成如图11所示的叠层线圈290的叠层线圈290b。缠绕热收缩胶带提高了结构的强度。代替热收缩胶带，可以缠绕以类似于上述预浸料坯片的方式而配置的预浸料坯胶带。
接下来，叠层线圈290b通过树脂进行真空浸渍，然后在加压条件下进行热硫化。简单地说，这意味着执行了树脂成型处理。结果，得到了如图14所示的叠层线圈290。树脂成型处理可以增加叠层线圈290的层之间的粘合强度，从而增加线圈的强度以及电子绝缘属性。
接下来，叠层线圈290在轴方向(换句话说为高度方向)上的两个端面进行切削处理，以形成平面。之后，与凹槽部分相对应的部分272a至275a接受切削处理，以形成凹槽部分272～275。
在其中外线圈294被配置成多个第一外线圈218的情况下，在外线圈294中对应于间隙244的部分上应用开槽处理，从而形成了间隙244。
接下来，将其上已应用了切削和开槽处理的叠层线圈290c沉浸在蚀刻溶液中，其蚀刻导体片268、269的材料(如上所述为铜或铝)，从而执行蚀刻处理。结果，去除了在切削和开槽处理期间在被处理表面上所产生的导体片268、269的毛刺等，以防止在导体片268、269的层之间发生短路(层间短路)，并且导体片268、269的端面相比于绝缘片266、267的端面进一步凹进，以增加导体片268、269中的层绝缘的漏电距离，从而可以增强绝缘性能。
在其上已经应用了上述蚀刻处理的整个叠层线圈290d上缠绕了热收缩胶带，然后进行热硫化。结果，可以得到扇形圆柱形叠层线圈，其中如图4至10等所示的第一内外线圈206、218相互集成。缠绕热收缩胶带增强了结构的强度。在其中线圈具有下面将描述的强制冷却结构的情况下，在缠绕热收缩胶带之前可以根据以下方式来附着冷却板312。代替热收缩胶带，可以缠绕以类似于上述预浸料坯片的方式而配置的预浸料坯胶带。
如图19所示，具有冷却通道314的冷却板312经由绝缘体316被分别加压接触和附着到第一内外线圈206、218的上下端面306、307和间隙244。优选情况下，冷却板312不仅置于线圈206、218的主体部分208、220在Y方向上的上下端面中，而且置于连接部分210、222在Y方向上的上下端面中。也就是说，优选情况下，该板置于尽可能宽的区域中。例如，冷却水流经冷却通道314。在例子中，绝缘体316缠绕在冷却板312上。不过，缠绕绝缘体不是必需的。
线圈206、218可以通过冷却板312经由其端面进行强制冷却。这种冷却结构也被称为末端冷却***。
在上述情况下，优选情况下，在冷却板312和绝缘体316之间，以及绝缘体316和线圈206、218的端面之间***了具有高热传导性的热扩散化合物(例如硅脂)。根据该结构，可以尽可能远地消除空气隙，并且可以提高热传导性能以及因此提高冷却性能。
间隙244的每一个都可以被构造成楔形，其中越朝向线圈218的内侧(图19的左侧)，宽度越窄。另外待被附着到间隙的冷却板312可以被配置成类似楔形，以便冷却板312被加压***间隙中。根据该结构，在线圈218的端面和冷却板312之间所形成的间隙可以制得很小，以便可以改善紧密接触。因此，可以进一步改善冷却性能。
在其中如上所述放置冷却板312的情况下，可以将热收缩胶带或预浸料坯胶带缠绕在处于如图19所示的状态中的整个线圈上，然后对其进行热硫化。这还可以执行冷却板312的固定和紧密接触。
最后，如果需要，另外在其中放置了冷却板312以及其中不放置冷却板这两种情况下，包括有第一内外线圈206、218的整个线圈可以通过树脂进行成型。根据该结构，可以进一步提高线圈的抗湿性、绝缘性和机械强度等。在这种情况下，优选情况下，可以用树脂来混合5至30wt.％的填充物(填充剂)。根据该结构，可以提高树脂的抗裂性等。
另外，以类似于上述的方式，可以制造第二内外线圈212、224作为其中线圈212、224被集成的线圈。后面将描述的线圈，也就是如图22至24所示的线圈320、如图25所示的第一和第二线圈326、328以及如图26所示的内线圈330和第一和第二外线圈218、224都是以类似于上述的方式制造的。内外线圈可以相互集成的进行制造。
通过使用线圈206、218、212、224，如图4和5所示的分析电磁石200等可以例如根据以下程序来进行组装。也就是说，在轭230的上轭231保持为待被去除的同时，将其中集成了第二内线圈212与第二外线圈224的元件从上侧***到轭230中，然后从上侧***真空容器236，并且然后从上侧***其中集成了第一内线圈206与第一外线圈218的元件。最后，附着上轭231。
(2-4)分析电磁石200的特征等
在分析电磁石200中，在第一内外线圈206、218的结构中，凹槽部分272至275置于扇形圆柱形叠层线圈290中同时离开主体部分208、220和连接部分210、222，并且因此连接部分210、222处于其中这些部分从主体部分208、220的末端部分在Y方向上基本平行的延伸的状态。因此，甚至在其中增加了主体部分208、220在Y方向上的尺寸的情况下，通过相应地增加连接部分210、222在Y方向上的尺寸来处理这种情况。结果，连接部分210、222在射束入射和发射方向上的突出距离没有得到增加。
将参照图8以第一内线圈206为例子描述上文所述。在其中增加了主体部分208在Y方向上的尺寸a的情况下，通过相应地增加连接部分210在Y方向上的尺寸c来处理这种情况。确切地说，尺寸a和c基本是相等的。因此，甚至当增加了尺寸a时，连接部分210在离子束50的入射和发射方向上的突出距离L3(见图4)没有得到增加。突出距离L3是由轭230的端面与连接部分210的端面之间的距离L5和连接部分210的厚度b确定的。也就是说，突出距离L3可以通过以下表达式来表示。另外从第一内线圈206的结构描述来看，主体部分208也具有厚度b。
[Exp.2]
L3＝b+L5
不像用于表示常规分析电磁石40的突出距离L1的上述Exp.1，上述Exp.2不包括在Y方向上的尺寸a。这是非常不同于常规分析电磁石40的特征。
而且，另外距离L5可以做得比常规分析电磁石40的距离L2小。这是由于以下原因引起的。不像常规线圈12，连接部分210不是通过弯曲处理倾斜地升高连接部分16而形成的，而是通过如上所述将凹槽部分272至275放置在扇形圆柱形叠层线圈290中形成的，并且连接部分210基本平行于Y方向进行延伸。而且，可以使主体部分208和连接部分210之间的边缘部分254处于其中通过切削处理等变得不太圆或者基本垂直的状态中。
由于上述原因，可以减小连接部分210从轭230在射束入射和发射方向上的突出距离L3。
第二内外线圈212、224是以类似方式配置的。
当在Y方向上的尺寸被设置为相同值或者250mm时，常规分析电磁石40的突出距离L1约为300mm，并且相比之下，分析电磁石200的突出距离L3约为110mm。
由于如上所述的相同原因，甚至在其中内线圈206、212和外线圈218、224双重成双地置于分析电磁石200中的情况下，可以减小外线圈218从轭230在射束入射和发射方向上的突出距离L4。在常规分析电磁石40中，如果线圈成双地置于内外侧面中，则极大的增加连接部分的突出距离。
由于上述原因，分析电磁石200可以微型化，并且因此可以减小安装分析电磁石200所需的区域。另外可以减小分析电磁石200的重量。而且，减小了由线圈206、218、212、224的连接部分所产生的磁场扰乱离子束50的形状的可能性。
由于可以减小线圈206、218、212、224的连接部分的突出距离，另外可以缩短连接部分的长度，并且因此可以减小连接部分中所浪费的功率消耗。
而且，线圈206、218、212、224具有如上所述的结构，其中，导体片268、269是通过在其间***绝缘片266、267来堆叠的。因此，与其中涂层导体缠绕多次的多匝线圈相比，导体的占空系数较高，并且功率损耗相对地较低。结果，可以减少功率消耗。
例如，下面将考虑其中每一个线圈在Y方向上的尺寸a被设置为250mm的情况。甚至在其中导体不是空心的情况下(不是空心导体)，在现有技术中的涂层导体的多匝线圈的导体占空系数约为60％至70％，并且在空心导体的情况下进一步减小。相比之下，线圈206、218、212、224的导体的占空系数可以被设置为约84％至85％。
结果，在分析电磁石200中，所需强度的磁场可以以小于常规分析电磁石40的功率消耗产生。以相同的功率消耗，可产生比由常规分析电磁石40所产生的磁场要强一些的磁场。在后一种情况下，可以减小离子束偏转的曲率半径R，以便可以进一步微型化分析电磁石200。
在其中每一个线圈在Y方向上的尺寸a的被设置为250mm并且以与常规分析电磁石40相同的方式通过线圈206、212(没有使用线圈218、224)产生了0.2tesla的磁场的情况下，常规分析电磁石40的功率消耗约为67kW，并且相比之下分析电磁石200的功率消耗仅约为24kW。
如图1所示的离子注入机包括具有上述特征的分析电磁石200。因此，根据分析电磁石200的微型化，整个离子注入机可以被微型化，并且因此可以减小用于安装离子注入机所需的空间。另外可以减小离子注入机的重量。而且，根据分析电磁石200的功率消耗的减小，可以减小整个离子注入机的功率消耗。
此外，由于分析电磁石200包括上述第一和第二内线圈206、212，因此与其中在上侧和下侧的每一个中都使用一个线圈的情况相比，可以容易地处理具有较大Y-方向尺寸WY的离子束50。
而且，第一和第二外线圈218、224可以产生用于辅助或校正主磁场的次磁场。由于次磁场，主磁场可以得到校正，并且可以增强Y方向上的磁通密度分布的均匀化。由外线圈218、224所产生的次磁场可以弱于主磁场，并且因此可以容易地进行控制。
上述主磁场和次磁场使得在射束路径202中产生了其中在Y方向上的磁通密度分布的均匀化程度较高的磁场。结果，离子束50在从分析电磁石200发射时的形状扰乱(弯曲和倾斜等，下同)可被抑制到较低的水平。该效果在其中离子束50的Y-方向尺寸WY较大的情况下更为明显。
甚至当使用了一个第一外线圈218和一个第二外线圈224时，可以得到校正主磁场的效果。不过，优选情况下，与例子中的一样，放置了多个第一外线圈218和多个第二外线圈224。在这种情况下，通过这些外线圈218、224可以更为精细地校正在射束路径202中产生的磁场在Y方向上的磁通密度分布。因此，可以产生其中在Y方向上的均匀化程度更高的磁场。结果，离子束50在发射时的形状扰乱可以被抑制到较低的水平。
(2-5)控制分析电磁石200的方法
下面将描述控制分析电磁石200的方法的例子。可控制流经第一和第二外线圈218、224的电流，以便从分析电磁石200发射出的离子束50的形状接近入射的离子束50的形状。
确切地说，致使从分析电磁石200发射出的离子束50的形状接***行于基本平行于Y方向的预定中心轴(如图20和21所示的中心轴318)的形状，通过至少执行以下之一：降低流经与在从分析电磁石200发射的离子束50中相对于中心轴朝向曲率半径R的内侧进行了过度弯曲的部分相对应的第一和第二外线圈218、224的电流；以及增加流经与向内侧弯曲不足的部分相对应的第一和第二外线圈218、224的电流。这使得从分析电磁石200发射出的离子束50的形状不是倾斜的，而是直的，并且接近入射时的形状。
图20和21分别示出了从分析电磁石200发射出的离子束50的形状。在这些图形中，基本平行于X方向的预定中心轴是由318表示的，对称平面由234表示，离子束50的中心轨道是由54表示，并且曲率半径用R表示。
在如图20所示的形状的情况下，从离子束50的传输方向Z看，离子束50的形状没有受到干扰，并且因此可以维持流经第一外线圈218a至218c和第二外线圈224a至224c的电流值。
在如图20所示的形状的情况下，从传输方向Z看，离子束50被扭曲(弯曲)成类似于L形的弓形，或者也就是当进一步朝着Y方向上的上侧前进时，更加过度地向曲率半径R的内侧弯曲，并且当进一步朝着下侧前进时，更加过度地向内侧弯曲。因此，流经第一外线圈218a的电流大大减小了，流经第一外线圈218b的电流略微减小了，流经第一外线圈218c和第二外线圈224c的电流被维持为当前值，流经第二外线圈224b的电流略微减小了，并且流经第二外线圈224a的电流大大减小了。结果，在维持从分析电磁石200发射出的离子束50的中心轨道54的位置的同时，离子束的形状可以接***行于中心轴318的形状。也就是说，形状可以接近于如图20所示的形状。
另外在其中从分析电磁石200发射出的离子束50的形状被扰乱的情形不同于如图21所示的情况下，通过如上所述的相同方法来执行校正，并且形状可以接近如图20所示的形状。
在其中从分析电磁石200发射出的离子束50的形状被扰乱的情况下，主要产生了以下问题。根据控制方法，可以防止这些问题出现。
通常，如图1和27所示的分析缝70置于分析电磁石200的下游侧中。分析缝70的裂缝72是线性的。当离子束50的形状被扰乱时，由此产生了由分析缝70所切割的部分，并且穿过分析缝70的期望离子种类的离子束50的数量减小了。由于产生了切割部分，因此削弱了离子束50的均匀化程度。当增加裂缝72的X-方向宽度，以防止发生这种切割时，分辨率被降低了。
除了上述讨论的分析缝70的问题之外，出现的问题在于，当通过使用其中形状被扰乱的离子束50来在衬底60上执行离子注入时，削弱了注入的均匀化程度。
(2-6)分析电磁石200的其他例子
接下来，将描述分析电磁石200的其他例子。与如图4至7所示的上述例子相同或相对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了重复描述。在以下描述中，重点放在与先前例子的不同上。
另外参照图22，如图24所示的分析电磁石200包括线圈320，其具有：一套主体部分322，其在横跨射束路径202的X方向上彼此相对；以及两套连接部分324、425，其在Z方向上相互连接主体部分322的末端部分，同时避开射束路径202，并且其产生在X方向上弯曲离子束50的磁场。位于图22中的上侧的这两个连接部分324为一套连接部分，并且位于下侧的两个连接部分325为另一套连接部分。
从示出了线圈320的截面结构的图23中看，线圈具有与第一内线圈206(见图10)和叠层线圈290的内线圈292(见图15)相同的截面结构。也就是说，在线圈320的结构中，凹槽部分276至281置于具有与内线圈292相同结构的扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开主体部分322和连接部分324、325。另外，线圈320可以通过如上所述的相同的制造方法来制造。
线圈320被配置成其中上述第一和第二内线圈206、212(见图8)被垂直的相互集成的一个线圈。
凹槽部分276、277的形状类似于上述的凹槽部分272、273。凹槽部分278、279具有相对于凹槽部分276、277的对称平面(见图24)的平面对称形状。确切地说，凹槽部分280、281为通孔，并且分别形成了入口238和出口240，并且离子束50可以穿过凹槽部分。更为确切地说，离子束50可以经由真空容器236穿过其中。
通过在Z方向上经由凹槽部分280、281***真空容器236，使得真空容器236穿过线圈320。在这种情况下，当凸缘等置于真空容器236上并且引起障碍时，一次拆除凸缘等。分析电磁石200可以通过类似方法进行组装。
连接部分324是通过与第一内线圈206的连接部分210相类似的方式进行构造的。连接部分325具有相对于各自的连接部分324的对称平面234的平面对称形状。
主体部分322的Y-方向尺寸a1基本等于连接部分324的Y-方向尺寸c1和连接部分325的Y-方向尺寸c1的总和(也就是2c1)。
另外在分析电磁石200的例子中，线圈320被配置成其中上述第一和第二内线圈206、212被相互集成的一个线圈。因此，由于与上述相同的原因，来自轭230的线圈320的连接部分324、325的突出距离减小了，从而得到了诸如分析电磁石200可以被微型化以及功率消耗可以减小等效果。
如图25所示的分析电磁石200包括第一和第二线圈326、328，其相互合作以产生在X方向上弯曲离子束50的磁场。线圈326、328分别是以与第一和第二内线圈206、212相类似的方式进行配置的(见图8)。因此，通过如上所述的相同的制造方法也可以制造第一和第二线圈326、328。
另外在分析电磁石200的例子中，第一和第二线圈326、328是以与第一和第二内线圈206、212相类似的方式进行配置的。因此，由于与上述相同的原因，来自轭230的线圈的连接部分的突出距离减小了，从而得到了诸如分析电磁石200可以被微型化以及功率消耗可以减小等效果。
由于分析电磁石200包括第一和第二线圈326、328，因此可以容易地处理具有较大Y-方向尺寸WY的离子束50。
如图26所示的分析电磁石200包括：内线圈，其以与线圈320相类似的方式进行配置，并且产生在X方向上弯曲离子束50的主磁场；以及第一和第二外线圈218、224，其以上述方式进行配置，位于内线圈330的外部，并且产生辅助或校正主磁场的次磁场。也就是说，代替如图5所示的第一和第二内线圈206、212等，分析电磁石200包括内线圈330。因此，通过如上所述的相同的制造方法也可以制造内线圈330以及第一和第二外线圈218、224。
下面将描述其中产生这些线圈的情况中的特征项。通过使用其中轴尺寸(高度)被设置为期望尺寸的叠层线圈290(见图14)，类似于图22的凹槽部分276至281的凹槽部分通过切割处理等置于内外线圈292、294中。在外线圈294中，通过切割处理等安置了类似于如图7所示的间隙248的间隙，从而形成了第一和第二外线圈218、224。以类似于图7的情况的方式，第一和第二外线圈218、224的每一个都是通过多个线圈配置的。
在如图26所示的例子中，第一外线圈218的个数为2。不过，个数并不限于此。个数为一个或多个的任意数。第二外线圈224是以类似方式配置的。
另外示例的分析电磁石200包括内线圈330以及以上述方式配置的第一和第二外线圈218、224。因此，由于与上述相同的原因，来自轭230的线圈的连接部分的突出距离减小了，从而得到了诸如分析电磁石200可以被微型化以及功率消耗可以被减小等效果。
除了内线圈330之外，分析电磁石200还包括以上述方式配置的第一和第二外线圈218、224。因此，在离子束50的射束路径202中可以产生其中在Y方向上的磁通密度分布的均匀化程度较高的磁场。结果，在发射时离子束50的形状扰乱可以被抑制到低水平。在其中目标离子束50的Y-方向尺寸WY较大的情况下，该效果更为显著。
由于放置了多个第一外线圈218和多个第二外线圈224，因此通过这些外线圈218、224可以更为精细地校正在射束路径202上所产生的磁场在Y方向上的磁场通量密度分布。因此，可以产生其中Y方向上的均匀化程度更高的磁场。结果，在发射时离子束50的形状扰乱可以被抑制到较低水平。
另外在其中如图1所示的离子注入机包括每一个例子的分析电磁石200的情况下，根据分析电磁石200的微型化，整个离子注入机可以微型化，并且因此可以减小安装离子注入机所需的面积。另外也可以减小分析电磁石200的重量。而且，根据分析电磁石200的功率消耗减小，可以减小整个离子注入机的功率消耗。
(3)关于焦点校正透镜600、610
参照图1，离子束50具有通过射束自身所带的空间电荷来传播射束的属性。因此，其中空间电荷的影响可以被忽略的小电流离子束50的焦点56的位置与其中空间电荷的影响不能被忽略的大电流离子束50的焦点56的位置由于传播离子束的方式不同，存在很大不同。确切地说，在大电流离子束50的情况下，与小电流离子束50的情况相比，焦点56朝着下游侧移动。这是由于因空间电荷引起的离子束50的传播是较大的所致。
甚至当例如分析缝70置于小电流离子束的焦点位置上时，因此位于大电流离子束上的焦点56从分析缝70的位置朝向下游侧偏离，并且因此降低了离子束50的传输效率和分辨率。
为了解决该问题，优选的，焦点校正透镜600、610，其通过静电场执行使得离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合的校正，置于至少在离子源100和分析电磁石200之间以及在分析电磁石200和分析缝70之间中的一个。焦点校正透镜600、610属于电场透镜的类别(换句话说静电场透镜，下同)。
在其中放置了焦点校正透镜并且从离子源100产生的离子束50的射束电流的水平是可变的情况下，例如分析缝70优选情况下置于其中射束电流相对较小的情况中的焦点56的附近(例如在可变范围的最低水平上)。
下面将参照图28～39详细描述焦点校正透镜600、610。图28和1示出了其中离子注入机包括置于离子源100和分析电磁石200之间的第一焦点校正透镜600和置于分析电磁石200和分析缝70之间的第二焦点校正透镜610的例子。可选情况下，只可以放置焦点校正透镜600、610中的一个，或者可以放置两个但只使用其中一个。
在其中只放置了焦点校正透镜600、610中的一个或者只使用了一个透镜的情况下，通过焦点校正透镜600、610来执行使得离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合的校正。在其中放置了两个焦点校正透镜600、610并且使用了这两个焦点校正透镜600、610的情况下，两个透镜相互合作，以执行使得离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合的校正。
图30至32示出了校正的例子。在这些附图中，在校正之前的离子束50的轨道是由两点连线来表示，并且在校正之后用实线表示。
在图30所示出的例子中，在其中当不执行校正时，通过空间电荷的影响使得离子束50如两点连线所示在X方向上进行传播，并且焦点56相对于分析缝70偏向下游侧的情况下，离子束50通过位于分析电磁石200的上游侧上的焦点校正透镜600被限定在X方向上，并且焦点56的位置返向上游侧，从而执行使得位置与分析缝70的位置相重合的校正。
在图31所示出的例子中，在其中当不执行校正时，通过空间电荷的影响离子束50如两点连线所示在X方向上进行传播，并且焦点56相对于分析缝70偏向下游侧的情况下，离子束50通过位于分析电磁石200的下游侧上的焦点校正透镜610被限定在X方向上，并且焦点56的位置返向上游侧，从而执行使得位置与分析缝70的位置相重合的校正。
在图32所示出的例子中，在其中当不执行校正时，通过空间电荷的影响使得离子束50如两点连线所示在X方向上进行传播，并且焦点56相对于分析缝70偏向下游侧的情况下，离子束50通过位于分析电磁石200的上游侧和下游侧上的焦点校正透镜600、610以某种程度的步骤被限定在X方向上，并且焦点校正透镜600、610相互合作，以朝向上游侧返回焦点56的位置，从而执行使得位置与分析缝70的位置相重合的校正。
这样，通过焦点校正透镜600、610可以执行使得离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合的校正。因此，可以防止离子束50的焦点56由于空间电荷的影响而偏离分析缝70的位置。结果，在补偿了空间电荷的影响的同时，可以增强离子束50的传输效率和分辨率。
下面比较图30的例子和图31的例子。在图30的例子的情况下，在离子束50传播并且碰撞在分析电磁石200中的墙壁等上而遭受损失之前，分析电磁石200可以通过焦点校正透镜600进行限定，并且因此存在可以容易地提高离子束50的传输效率的优势。因此，在其中使用(放置)了焦点校正透镜600、610中的一个时，焦点校正透镜600是优选的。不过，当通过焦点校正透镜600过度限定离子束50时，离子束50的电流密度是较大的，并且增强了空间电荷效应，并且结果出现了其中离子束50容易传播的情况。因此，需要特别注意。
按照以上描述，与图32的例子一样，离子束50在被焦点校正透镜600、610所共享的同时可以被限定。也就是说，通过上游侧中的焦点校正透镜600可以将离子束50限定到一定程度(确切地说限定在离子束50可以有效穿过分析电磁石200的程度)，并且离子束50可以最后通过处于下游侧上的焦点校正透镜610进行限定。当放置和使用了两个焦点校正透镜600、610时，可以容易地并且确定地校正离子束50的焦点位置，并且可以提高离子束50的传输效率。因此，在补偿了空间电荷的影响的同时可以增强离子束50的传输效率和分辨率这一效果更加明显。
下面将描述焦点校正透镜600、610的结构的具体例子。
如图28所示，焦点校正透镜600具有入口电极602、中间电极604和出口电极606，其排列于离子束50的传输方向Z上，同时其间形成有间隙。与图29的例子一样，电极602、604、606分别具有成对的电极602a和602b、604a和604b、606a和606b，它们在横跨离子束50所穿过的间隙的X方向上彼此相对，并且基本平行于离子束50的主面52。电极602a、602b、604a、604b、606a、606b的放置基本垂直于离子束50的传输方向Z。电极602a和602b、604a、604b、606a、606b分别通过导体相互电气连接，或者相互导电。
参照图28，入口和出口电极602和606(确切地说为组成电极的电极602a和602b、606a、606b)被维持在相同的电势上。在该例子中，电极被维持为接地电平。根据该结构，可以防止电场从焦点校正透镜600突向离子束50的方向Z上的上游侧和下游侧。因此，可以防止电场的突出对离子束50等的负面影响。
中间电极604(确切地说为组成电极的电极604a和604b)被连接到将负或正(在如图28所示的例子中为负)直流电压V1施加到电极上的直流电源608。中间电极604的电势(在该例子中为相对于接地电势的电势)通过直流电压V1被维持到的电势与入口和出口电极602、606的电势不同，并且其使得离子束50的焦点56与分析缝70的位置相重合。这同样适用于后面将描述的直流电压V2。
在焦点校正透镜600中，入口和出口电极602、606被维持为相同的电势，并且中间电极604被维持的电势为与入口和出口电极602、606的电势不同。因此，焦点校正透镜起到单电位透镜的作用以限定离子束50。因此，可以在不改变离子束50的能量的情况下将离子束50限定在X方向上。
可选情况下，可以对直流电源608的极性进行反向，并且可以将正直流电压V1施加到焦点校正透镜600的中间电极604上。另外在可选情况下，焦点校正透镜600起到单电位透镜的作用，并且在不改变离子束50的能量的情况下可将离子束50限定在X方向上。当施加了正直流电压V1时，不受电场影响的漂移空间中的电荷被吸引到中间电极604，并且减少了漂移空间中的电子量，因此增强了由于空间电荷效应引起的离子束50的发散。相比之下，在负直流电压V1的情况下，可以防止这种现象发生。因此，优选情况下与如图28所示的例子中一样，施加负直流电压V1。这同样适用于后面将描述的直流电压V2。
从直流电源608被施加到中间电极604上的直流电压V1的绝对值(电平)越大，对离子束50的限定可以越强。限定离子束50的程度取决于当射束穿过焦点校正透镜600时离子束50的能量。离子束50的能量越高，则通过直流电压V1施加到离子束50上的偏转功能越小。因此，为了强有力地限定离子束50，增加了直流电压V1的绝对值。
另外参照图29，焦点校正透镜610具有入口电极612(一对电极612a、612b)、中间电极614(一对电极614a、614b)和出口电极616(一对电极616a、616b)，它们分别是以类似于焦点校正透镜600的入口电极602(一对电极602a、602b)、中间电极604(一对电极604a、604b)和出口电极606(一对电极606a、606b)的方式进行配置的。中间电极614被连接到类似于直流电源608的直流电源618。直流电源618将负或正(在如图28所示的例子中为负)直流电压V2施加到中间电极614。焦点校正透镜610和直流电源618的结构和功能都类似于焦点校正透镜600和直流电源608。因此，参考以上描述，并且省略了重复描述。
在其中焦点校正透镜600、610具有如上所述的单电位透镜的结构的情况下，焦点校正透镜600、610只执行限定离子束50的功能。如上所述，当在其中射束电流相对较小的情况中分析缝70置于焦点56的附近时，通过焦点校正透镜600、610的限定功能，可以充分地防止在其中射束电流相对较大的情况下发生焦点56向分析缝70的下游侧移动的情况。结果，可以充分地处理其中离子束50的射束电流50在电平上发生变化的情况，并且可以防止离子束50的焦点56偏离分析缝70的位置。
下面将描述其中通过使用位于分析电磁石200的上游侧上的焦点校正透镜600来校正离子束50的焦点位置的模拟结果。在包含有As+、其中能量为13.5keV并且射束电流为30mA的离子束50从离子源100碰撞在分析电磁石200上的同时，在以下条件下进行质量分离。
(A)其中离子束50的空间电荷中和率为100％的情况
在这种情况下，空间电荷对离子束50没有影响。因此，这与小电流离子束的情况相同。此时，离子束50的焦点56形成于在下游侧上与分析电磁石200的出口部分隔开640mm的位置上。虽然在该模拟中没有放置分析缝70，但是在实际离子注入机的640mm的位置上将放置分析缝70。图33示出了离子束50在X方向上的射束电流分布的例子。在附图中，纵坐标表示在X方向上每1mm的Y-方向电流的累积值。也就是说，由于离子束50具有在Y方向上拉长的带状形状，因此纵坐标表示通过累积在射束的X方向上每1mm Y方向电流所得到的电流值。简单地说，附图对应于X方向上的电流密度分布。这同样适用于图34和35的纵坐标。
在这种情况下，射束电流的半值宽度为约22mm，并且分析电磁石200的质谱分析的分辨率m/Δm为约27.3。
(B)其中离子束50的空间电荷中和率为95％并且没有操作焦点校正透镜600的情况
在这种情况下，由于空间电荷的影响使得离子束50进行传播。因此，这与大电流离子束的情况相同。此时，离子束50的焦点56形成于在下游侧上与分析电磁石200的出口部分隔开约1300mm的位置上。图34示出了离子束50在X方向上的射束电流分布的例子。
在这种情况下，射束电流的半值宽度为约95mm，并且分析电磁石200的质谱分析的分辨率m/Δm为约7.1。
(C)其中离子束50的空间电荷中和率为95％并且通过焦点校正透镜600来执行焦点位置校正的情况
在这种情况下，调整被施加到焦点校正透镜600的中间电极604上的直流电压V1，以便离子束50的焦点56形成于在下游侧上与分析电磁石200的出口部分隔开约640mm的位置上。此时，直流电压V1为约-10kV。图35示出了离子束50在640mm的位置上的X方向上的射束电流分布的例子。
在这种情况下，射束电流的半值宽度为约42mm，并且分析电磁石200的质谱分析的分辨率m/Δm为约16。与上述的情况(B)相比，分辨率被提高了两倍或更多。
接下来描述被施加到焦点校正透镜600、610的直流电压V1和V2的控制。
例如，如图28的例子所示，可移动的并且接收穿过分析缝70的离子束50以测量射束电流IF的第一射束电流测量设备620按照箭头H指示被移动，并且***到位于分析缝70的下游侧上的离子束50的路径上。例如，射束电流测量设备620为Faraday杯。优选情况下，射束电流测量设备620具有宽度KX，穿过分析缝70的整个离子束50在X方向上碰撞到该设备上。相对于Y方向，在其中离子束50具有带状形状的情况下，当在Y方向上的一点上要执行测量时，可以使用一个射束电流测量设备620。当在Y方向上的多个点上要执行测量时，射束电流测量设备620可以为多点射束电流测量设备，其中在Y方向上并置了多个测量设备(例如Faraday杯)，或者具有在Y方向上移动一个射束电流测量设备620的结构。
然后，调整从直流电源608、618输出的直流电压V1、V2，以便由射束电流测量设备620所测量的射束电流IF是最大的。也就是说，在其中使用了焦点校正透镜600的情况下调整直流电压V1，在其中使用了焦点校正透镜610的情况下调整直流电压V2，并且在其中使用了焦点校正透镜600、610的情况下调整直流电压V1、V2。如上所述，确切地说，直流电压V1、V2可以为正或负，并且因此调整了其绝对值|V1|和|V2|。然后，维持了其上射束电流IF为最大的直流电压V1、V2。
图36示出了在其中调整了直流电压V1的绝对值|V1|的情况下射束电流IF的改变的例子。由于当离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合时，穿过分析缝70的离子束50的数量是最大的，因此得到了该曲线。在该例子中，维持了其上得到了最大射束电流IF的电压V1a。另外在其中调整了直流电压V2的绝对值|V2|的情况下，得到了类似于上述曲线的曲线。
图37示出了在其中调整了直流电压V1、V2的绝对值的情况下射束电流IF的改变的例子。在该例子中，虽然使用了直流电压V1的多个绝对值V1b、V1c、V1d(不过，绝对值并不限于这三个值)作为参数，但是改变了直流电压V2的绝对值|V2|。因此，可以得到其上射束电流IF为最大的直流电压V1、V2。在该例子中，维持了其上得到了最大的射束电流IF的电压V1d和V2a。与图37的情况相比，虽然使用了直流电压V2的多个绝对值作为参数，但是可能改变了直流电压V1的绝对值。
根据该调整方法，当离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合时，射束电流IF为最大。因此，可以容易地执行其中通过焦点校正透镜600、610使得离子束50的焦点位置与分析缝70的位置相重合的校正。
离子注入机可以进一步包括第一焦点控制设备622(见图28)，其控制从直流电源608、618输出的直流电压V1、V2(确切地说为它们的绝对值|V1|和|V2|)，其通过与上述调整方法类似的控制内容控制，以便由射束电流测量设备620所测量的射束电流IF为最大。根据该结构，可以用节省功率的方式来执行使得离子束50的焦点位置与分析缝70的位置相重合的校正。
如图38的例子中的所示，使用了用于测量流经分析缝70的射束电流Is的第二射束电流测量设备624，并且调整从直流电源608、618输出的直流电压V1、V2(确切地说为它们的绝对值|V1|和|V2|)，以便由射束电流测量设备624所测量的射束电流Is是最小的。在这种情况下，分析缝70与诸如真空容器等结构电气绝缘，并且经由射束电流测量设备624接地。其中单独使用或者组合使用直流电压V1、V2的例子与上述例子是相同的。
图39示出了在其中调整了直流电压V1的绝对值|V1|的情况下射束电流Is的改变的例子。由于当离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合时，碰撞在分析缝70上的离子束50的数量是最小的，因此得到了该曲线。在该例子中，维持了其上得到了最小射束电流Is的电压V1e。另外在其中调整了直流电压V2的绝对值|V2|的情况下，得到了类似于上述曲线的曲线。
在其中使用了直流电压V1、V2中的一个作为参数并且改变了另一个的情况下，得到了类似于其中图37的曲线被谷值反向的曲线。
根据该调整方法，当离子束50的焦点56的位置与分析缝70的位置相重合时，所测量的射束电流Is是最小的。因此，可以容易地执行其中通过焦点校正透镜600、610使得离子束50的焦点位置与分析缝70的位置相重合的校正。
离子注入机可以进一步包括第二焦点控制设备622(见图28)，其控制从直流电源608、618输出的直流电压V1、V2(确切地说为它们的绝对值|V1|和|V2|)，其通过与上述调整方法类似的控制内容控制，以便由射束电流测量设备624所测量的射束电流Is是最小的。根据该结构，可以用节省功率的方式来执行使得离子束50的焦点位置与分析缝70的位置相重合的校正。
(4)关于加速/减速设备400
如图1所示的加速/减速设备400通过静电场在X方向上偏转穿过分析缝70的离子束50，并且通过静电场加速或者减速离子束50。优选情况下，加速/减速设备400置于尽可能远的下游侧上，以有效产生用于抑制后面将描述的能量污染的效果。在如图1所示的例子中，设备置于分析缝70与注入位置之间，也就是分析缝70和衬底驱动设备500之间。
当提供了加速/减速设备400时，加速/减速设备400可以不仅执行离子束50的加速/减速，而且在X方向上对离子束50进行偏转。因此，可以有选择地得到期望能量的离子束50，并且可以抑制能量污染(多于能量离子的混合物)。而且，这些可以通过单个加速/减速设备400来实现。因此，与其中单独放置能量分析器的情况相比，可以缩短离子束50的传输路径。因此，可以提高离子束50的传输效率。特别地，在其中离子束50具有低能量和大电流的情况下，通过空间电荷效应容易地使传输期间的离子束50发散。因此，缩短传输距离的效果是很显著的。
图40示出了加速/减速设备400的更为具体的例子。加速/减速设备400具有第一至第三电极402、404、406，其按照第一电极402、第二电极404和第三电极406的顺序排列在从上游侧开始的离子束传输方向上。在该例子中，每一个电极具有在Y方向上延伸并且离子束50穿过其中的开口412、416。在该例子中，电极402是由一个电极配置的。可选情况下，电极可以通过其间在X方向上***了离子束50的路径并且处于相同电势上的两个电极进行配置。这同样也适用于电极406。电极404具有在Y方向上延伸并且离子束50穿过其中的间隙414。
相对于接地电势的电势V1被施加到第一电极402。通常，电势V1为正的(加速模式)或者负的(减速模式)高电势。
在其中将电势施加到电极402、404、406或者后面将描述的电极元件404a、404b的情况下，当电势不同于0V时，从对应于电极的电压施加装置(例如图中没有示出的直流电源、用于分流来自直流电源的电压的电压分流电阻器等，同下)供应电势。当电势为0V时，对应的电极接地。
通常，第二电极404被设置为处于第一和第二电极402、406之间的电平上的电势。在为我们熟知的静电场加速电子管的情况下，第二电极404是由单个电极配置。在该例子中，第二电极是通过在横跨离子束50的路径的X方向上彼此相对的两个电极元件404a、404b分开配置的。此外，分别将彼此不同的电势V2a、V2b(V2a≠V2b)施加到电极元件404a、404b，以便离子束50在X方向上被偏转。确切地说，对于位于其中离子束50待被偏转的侧面上的电极元件404b，施加了低于反向电极404a的电势V2a的电势V2b，或者设置V2b＜V2a。用于施加这些电势的装置如上所述。
离子束50所流经的间隙414置于组成电极404的两个电极元件404a、404b之间。优选情况下，与该例子中一样，在离子束50的偏转方向上弯曲间隙414。确切地说，优选情况下沿着在偏转之后具有特定能量或者确切地说具有期望能量的离子418的轨道弯曲间隙。根据该结构，可以有效得到由具有期望能量的离子418组成的离子束50。
通常为0V的电势V3被施加到第三电极406。也就是说，第三电极接地。
优选情况下，位于第二电极404的下游侧上的第三电极406沿着在偏转之后具有特定能量，或者确切地说具有期望能量的离子418的轨道进行放置。根据该结构，可以有效得到具有期望能量的离子418，并且可以通过电极406有效地阻隔具有不同于该能量的能量的离子420、422和中性粒子424。因此，可以更加有效地抑制能量污染。
设置被施加到用于组成电极404的电极元件404a、404b的电势V2a、V2b之差，以便具有期望(目标)能量的离子418穿过加速/减速设备400的中心轨道，确切地说为包括并且在具有偏转功能的第二电极404之后的电极404、406的中心轨道(更确切地说为间隙414和开口416)。
表格1集中示出了电极和被施加到电极的电势的例子。例子1和2为其中通过加速/减速设备400来加速离子束50的加速模式，而例子3为其中离子束50被减速的减速模式。在例子1的情况下，可以实现30keV的加速能量，并且在例子2的情况下，可以实现130keV的加速能量。在例子3的情况下，可以实现8keV的加速能量。在任何情况下，作为组成第二电极404的一个电极的电极元件404b的电势V2b被设置为低于反向电极404a的电势V2a。
[表格1]
  电势V1(kV)  电势V2a(kV)  电势V2b(kV)   电势V3(kV)
  例子1   30  0  -48   0
  例子2   130  100  52   0
  例子3   -8  0  -1   0
根据加速/减速设备400，通过由两个电极元件404a、404b所配置并且施加了不同电势V2a、V2b的第二电极404可以对离子束50进行偏转。此时，偏转量取决于偏转中的离子束50的能量，并且因此具有期望能量的离子418可以与具有其他能量的离子420、422相分离。离子420为具有低于期望能量的能量的离子，并且它们的偏转量要大于离子418的偏转量。离子422为具有高于期望能量的能量的离子，并且它们的偏转量要小于离子418的偏转量。中性粒子424笔直前进，没有任何偏转，并且因此可以分离出来。也就是说，加速/减速设备400具有能量分离功能，并且因此可以有选择地得到由具有期望能量的离子418所组成的离子束50，并且可以抑制能量污染。在例子中，不同于具有期望能量的离子418的离子420、422以及中性粒子424碰撞在位于第二电极404的下游侧上的电极406，从而被阻隔和去除。
而且，除了上述能量分离功能之外，加速/减速设备400还具有对离子束50进行加速或减速的原始功能。这些功能可以通过单个加速/减速设备400来实现，并且因此不必单独放置能量分离器。因此，与其中能量分离器单独放置的情况相比，可以缩短离子束50的传输路径。因此，可以提高离子束50的传输效率。
此外，离子束50可以在两个阶段中进行加速，也就是在电极402和404之间以及在电极404和406之间。表格1中的例子2示出了这种情况的例子。在下一阶段中加速之前(也就是在当能量较低时的时期内)，离子束50可以通过电极404进行偏转。与在充分加速之后执行偏转的情况相比，离子束50可以容易地进行偏转。确切地说，被施加在用于组成电极404的两个电极元件404a、404b上的电势V2a和V2b之差可以很小。结果，它具有诸如有助于电极404附近的电气绝缘等优点。
不同于具有期望能量的离子和中性粒子可以通过位于电极404的下游侧上的电极406进行阻隔和去除。因此，可以更为有效地抑制能量污染。特别地，凭经验可知，在减速模式(见表格1中的例子3)中，通过电极402和404之间的离子束50的减速中的电荷转换很容易产生中性粒子424。不过，甚至当产生了许多中性粒子424时，它们笔直前进，并且碰撞在待被阻隔的电极406上。因此，在加速/减速设备400中可以有效消除中性粒子424。
通常，在加速模式中，从其上碰撞了能量不同于期望能量的离子的电极的位置发射电子并且将其加速到更高的电势侧，并且从其上碰撞了加速电子的电极的部分产生与这种加速电子相对应的高能量X-射线。我们熟知的静电场加速电子管不具有偏转功能。因此，加速电子在不弯曲的情况下可以到达更高电势的电极(与电极404相对应的电极)，并且通过与更高电势电极的电势相对应的较大能量进行加速，以碰撞更高电势电极，因此从其中产生高能量X-射线。
相比之下，与在加速/减速设备400中的一样，第二电极404是通过两个电极元件404a、404b配置的，并且将不同电势施加到电势元件，从而为电极提供偏转功能。根据该结构，从其上碰撞了具有多余能量的离子的位置所发射的电子被电极404所弯曲，从而不能到达更高电势的电极402。确切地说，电子朝向在用于组成电极404的两个电极元件404a、404b中具有较高电势的电极元件404a进行弯曲，然后碰撞在电极元件404a上。此时，电子的加速能量为与电极元件404a的电势相对应的能量，并且低于在其中电子碰撞在更高电势的电极402上的情况中的能量。例如，在表格1的例子1的情况中，碰撞电子的能量约为0eV，并且基本不产生X-射线。在例子2的情况中，能量约为100keV，并且低于在其中电子碰撞在电极402上的情况中的约130keV。因此，在任何情况下，可以使所产生的X-射线的能量低于我们所熟知的静电场加速电子管中的能量。
如果需要，另一电极可以进一步置于电极402的上游侧或者电极406的下游侧上。例如，用于对离子束50进行加速或减速的高电势电极可以置于电极402的上游侧上。用于抑制反向电子的负电势电极可以置于电极406的下游侧上。
(5)关于轨道控制透镜700a、700b
在其中通过带状离子束50对衬底60进行照明以执行离子注入的离子注入机中，在作为离子束的纵向方向的Y方向上的轨道状态(例如平行、发散或收敛状态)是重要的。为了在衬底60的宽区域(例如基本为整个表面)上执行较高均匀化程度的离子注入，例如离子束50在Y方向上的平行是重要的。
为了遵守这一点，以下轨道控制透镜700a或700b可以置于分析电磁石200和加速/减速设备400之间。轨道控制透镜700a、700b属于电场透镜的类别。
在如图1所示的例子中，在分析缝70和加速/减速设备400之间，放置了通过静电场在Y方向上弯曲通过那里的离子束50的轨道控制透镜700a。不过，轨道控制透镜700a可以置于分析电磁石200和分析缝70之间(例如在其中放置了焦点校正透镜610的情况下，在焦点校正透镜610和分析缝70之间)。同样这也适用于后面将描述的轨道控制透镜700b。
另外参照图41，轨道控制透镜700a具有入口电极702、中间电极704和出口电极706，连续置于离子束50的传输方向Z上，同时形成了其间的间隙708、710。电极702、704、706的Y方向长度略大于要穿过的离子束50在Y方向上的尺寸WY，并且例如约为400至500mm。例如，间隙708、710在YZ平面上的距离约为40至50mm。不过，尺寸并不限于这些值。
入口电极702具有在横跨离子束50穿过其中的间隙712的X方向上彼此相对的一对电极702a、702b。中间电极704具有在横跨离子束50穿过其中的间隙714的X方向上彼此相对的一对电极704a、704b。出口电极706具有在横跨离子束50穿过其中的间隙716的X方向上彼此相对的一对电极706a、706b。间隙712、714、716的X-方向尺寸是根据待被穿过的离子束50在X方向上的宽度WX确定的，并且例如约为50至100mm。不过，尺寸并不限于这些值。
电极702a、702b相互导电，并且通过诸如图中未示出的引线等导电装置被设置为相同的电势。电极704a、704b是以类似方式配置的。电极706a、706b是以类似方式配置的。
在离子束50的传输方向Z中的上游和下游表面中，中间电极704具有在Y方向上弓形弯曲的凸表面720、722。在例子中，凸表面720、722在X方向上不是弯曲的。在相对于凸表面720、722的表面中，入口和出口电极702、706具有沿着中间电极704的凸表面720、722延伸的凹表面718、724(确切地说，以形成固定的狭缝延伸)。因此，另外间隙708、710在Y方向上是弓形，而在X方向上不是弯曲的。
入口和出口电极702、706通过诸如引线730等导电装置相互电气连接，以维持为相同的电势。在该例子中，电极702、706被维持为接地电势。根据该结构，可以防止电场从轨道控制透镜700a突向离子束50在Z方向上的上游和下游侧。因此，可以防止电场的突出对离子束50等的负面影响。
中间电极704被维持为与入口和出口电极702、706的电势不同的电势，并且使得从轨道控制透镜700a得到的离子束50在Y方向上的轨道状态为期望状态。后面将参照图42至45描述轨道状态的例子。将中间电极704维持为电势的压变直流电源732被连接在入口和出口电极702、706和中间电极704之间。在图41的例子中，设置直流电源732的方向，以便中间电极704的侧面为负的。可选情况下，可以对方向进行反向。
在轨道控制透镜700a中，入口和出口电极702、706被维持为相同的电势，并且中间电极704被维持的电势不同于入口和出口电极702、706的电势。因此，透镜起到单电位透镜的作用。当离子注入机包括轨道控制透镜700a时，在不改变离子束50的能量的情况下，离子束50在Y方向上的轨道状态可以被设置为期望状态。下面描述例子。
图42示出了当中间电极704被维持的电势低于入口和出口电极702、706的电势，确切的说是当入口和出口电极702、706被维持为0V，并且将-15000V施加到中间电极704时，位于轨道控制透镜700a的X方向上的中心区域(也就是坐标X＝0)的YZ平面中的电极之间的间隙708、710附近的等电势线728的分布的例子。形成了以凸透镜方式被弯曲的等电势线728。
当用于组成离子束50的离子碰撞在具有等电势线728的分布的轨道控制透镜700a上时，在Y方向上产生了收敛效应。例如，这导致发散入射的离子束50变成平行射束。可选情况下，平行入射的离子束50可以变成收敛射束。当进一步加强中间电极704的负电势时，发散入射的离子束50可以变成收敛射束。当中间电极704的电势进行反向或者被设置为正电势时，可以使得离子束50在Y方向上发散。
图43和44示出了其中以与上述类似的方式将0V电压施加到入口和出口电极702、706，将-15000V施加到中间电极704，并且由具有15keV能量的单价砷(As)离子(原子量为75 AMU)组成的离子束50碰撞在轨道控制透镜700a上的情况下的例子。虽然图中没有示出，但是在图43和44中的间隙708、710的附近形成了类似于图42所示的等电势线。以与图42相同的方式，图43至45和47示出了坐标X＝0的YZ平面。
图43示出了其中在Y方向上发散的入射离子束50变成平行射束的例子。在该例子中，入射离子束50的发散角度为±1至±9度。(Y方向上的中心区域为±1度，并且随着射束垂直偏离，角度一步增加1度)。在说明书中，平行射束意味着其中如图43所示，来源于Y方向上的不同位置的离子束50的轨道(传输方向)基本上是相互平行的离子束。在该例子中，射束还平行于作为整个离子束50的传输方向的Z方向。
图44示出了其中在Y方向上平行的入射离子束50(也就是发散角度为0度，下同)变成收敛射束的例子。离子束50具有射束由于空间电荷效应而发散的属性。特别地，在具有低能量和较大射束电流的离子束50中，这一属性得到很强的展现。因此，当如例子中收敛的离子束50从轨道控制透镜700a得到以通过轨道控制透镜700a和衬底60之间的空间电荷效应引起的发散进行平衡(抵消)时，在衬底60上入射的离子束50可以形成为基本平行的射束。
图45示出了其中将0V电压施加到入口和出口电极702、706，将+10000V电压施加到中间电极704，并且由具有15keV能量的单价砷组成的并且平行于Y方向的离子束50以如上所述的类似方式变成发散射束的情况中的例子。在轨道控制透镜700a的下游侧上，放置了射束收敛装置。由于前者引起的发散和由于后者引起的收敛被相互组合，以便离子束50可以形成为平行射束。根据该结构，可以进一步增加离子束50在Y方向上的尺寸WY。
当离子注入机包括轨道控制透镜700a时，在不改变离子束50的能量的情况下，离子束50在Y方向上的轨道状态可以被设置为期望状态。例如，离子束50形成为平行光束，并且可以得到高度平行的离子束50。因此，在诸如其中当离子束要形成为平行光束时，例如，离子束50的能量不需要被改变等情况下，例子是优选的。
当从轨道控制透镜700a得到的离子束50形成为平行射束时，例如，在衬底60的宽区域(例如基本为整个表面)上执行较高均匀化程度的离子注入。不过，可以防止在衬底60的表面的微结构部分中产生其上离子束50没有碰撞的阴影部分。
此外，用于组成轨道控制透镜700a的中间电极704具有凸表面720、722，如上所述其在Y方向上是弯曲的，并且入口和出口电极702、706具有沿着凸表面延伸的凹表面718、724表面。因此，极大提高了电极之间的间隙708、710中的电场在Y方向上的均匀化程度(参见图42)。结果，甚至当Y方向上的尺寸较大时，也可以将离子束50在Y方向上的轨道状态设置为具有较高均匀化程度的期望状态。因此，在其中使用了带状离子束50的情况下，例子是特别优选的。如果入口和出口电极702、706的表面718、724是平的，或者如果中间电极704的表面720、722是平的，则在间隙708、710中的等电势线728的间隙中产生了在Y方向上的不均匀或者狭窄或者宽广，并且因此降低了间隙708、710中的电场在Y方向上的均匀化程度。
图46为透视图，示出了带有电源的轨道控制透镜的另一例子。可以使用轨道控制透镜700b代替轨道控制透镜700a。与图41的轨道控制透镜700a相同或相对应的部分等用相同的附图标记来表示。在以下描述中，重点放在与轨道控制透镜700a之间的差别上。
在离子束50的传输方向Z的上游和下游表面上，组成轨道控制透镜700b的中间电极704具有在Y方向上弓形弯曲的凹表面721、723。在例子中，凹表面721、723在X方向上不是弯曲的。在与凹表面721、723相对应的表面上，入口和出口电极702、706具有凸表面719、725，其沿着中间电极704的凹表面721、723延伸(确切地说，以形成了固定的狭缝延伸)。因此，间隙708、710也在Y方向上弓形弯曲，但是在X方向上是不弯曲的。
中间电极704被维持的电势不同于入口和出口电极702、706的电势，并且其使得来源于轨道控制透镜700b的离子束50在Y方向上的轨道状态为期望状态。后面将参照图47描述轨道状态的例子。维持中间电极704的电势的压变直流电源732被连接在入口和出口电极702、706和中间电极704之间。在图46的例子中，设置了直流电源732的方向，以便中间电极704的侧面是正的。可选情况下，可以对方向进行反向。
在轨道控制透镜700b的间隙708、710的附近，形成了与如图42所示的例子中相反的以类似凹透镜的方式被弯曲的等电势线。
另外在轨道控制透镜700b中，入口和出口电极702、706被维持为相同的电势，并且中间电极704被维持的电势与入口和出口电极702、706的电势不同。因此，透镜起到单电位透镜的作用。当离子注入机包括轨道控制透镜700b时，在不改变离子束50的能量的情况下，离子束50在Y方向上的轨道状态可以被设置为期望状态。
当离子碰撞在轨道控制透镜700b上时，在Y方向上产生了收敛效应。例如，这引起发散入射的离子束50变成平行射束，如图47所示。图47示出了其中中间电极704被维持的电势高于入口和出口电极702、706的电势，或者确切地说入口和出口电极702、706被维持为0V而将电压+15000V施加到中间电极704的情况中的例子。离子束50是由能量为15keV的单价砷离子组成。入射离子束的发散角度为±1至±9度。
另外，轨道控制透镜700b可以将平行入射的离子束50变成收敛射束。当进一步加强中间电极704的正电势时，发散入射的离子束50可以变成收敛射束。当将中间电极704的极性反向为上述情况或者将其设置为负电势时，离子束50可以在Y方向上发散。
除了以上描述之外，轨道控制透镜700b的功能和效果与上述轨道控制透镜700a的功能和效果相同，并且因此省略了重复的描述。
(6)关于均匀化透镜750
代替轨道控制透镜700a、700b，可以放置诸如如图48和49所示的均匀化透镜750。均匀化透镜750属于电场透镜的类别。
均匀化透镜750置于分析电磁石200和加速/减速设备400之间。确切地说，均匀化透镜可以放置在分析缝70和加速/减速设备400之间，或者在分析电磁石200和分析缝70之间(在其中放置了焦点校正透镜610的情况下，例如，为在焦点校正透镜610和分析缝70之间)。
均匀化透镜750具有多个(例如10个)电极对，其在Y方向上并联放置。在每一对中，成对的电极752(电极对)在横跨离子束50的X方向上彼此相对。在图示例子中，在每一对电极752中，相对顶端的附近具有半圆柱或半柱形形状，或者可选情况下构成平板电极(平行的平板电极)。如图49所示，成对的相反的两个电极是平行电气连接的，以相互导电。在图49中，用于平行连接的布线看起来与离子束50相交。这是由于示图的简化导致的。实际上，布线并不与离子束50相交。
作为在上述阶段中分别在电极对之间和参考电势部分(例如接地电势部分)施加了独立直流电压的均匀化透镜电源的例子，分别在各个阶段中为电极对放置了独立压变均匀化透镜电源754。也就是说，均匀化透镜电源754的个数等于电极对的个数。代替上述结构，可以使用例如通过将多个电源组合成一个单元而形成的单个均匀化透镜电源，并且可以独立控制被施加到电极对的直流电压。
作为被施加到电极对的直流电压，负电压是比正电压更为优选的。当使用了负电压时，可以防止存在于离子束50的周边的等离子区中的电子被吸到带有离子束的电极752上。当电子被吸入时，强化了由于空间电荷效应而导致的离子束50的发散。这是可以预防的。
当调整被施加到电极对的直流电压时，在离子束50的路径上产生了Y方向上的电场EY(图49中的电场EY示出了例子)，并且构成离子束50的离子可以根据电场EY的强度在Y方向上弯曲。
因此，由于均匀化透镜750，在Y方向上通过静电场可以使离子束50在Y方向上的多个轨道进行弯曲，并且位于注入位置上的离子束在Y方向上的射束电流密度分布可以被均匀化。结果，衬底60上的离子注入的均匀化程度可以得到进一步提高。在衬底60的情况下这种效果更加明显，并且因此离子束50具有较大的Y-方向尺寸。
可以放置用于测量位于注入位置上的离子束50在Y方向上的射束电流密度分布的射束测量设备80和均匀化控制设备90(见图1)，以便通过使用这些设备可以执行以下控制。
在例子中，射束测量设备80为多点射束测量设备，其中用于测量离子束50的射束电流的多个测量设备(例如Faraday杯)并置在Y方向上。可选情况下，可以采用其中单个测量设备通过移动机制在Y方向上移动的结构。表示射束电流密度分布的测量信息D1是从射束测量设备80输出的，然后被供应到均匀化控制设备90。测量信息D1是通过多个或者n1套(n1等于Faraday杯的个数)测量信息配置的。
根据来自射束测量设备80的测量信息D1，均匀化控制设备90将多个或者n2个(n2等于电极对的个数)控制信号S2供应给均匀化透镜电源754以控制各自的均匀化透镜电源754，从而控制射束电流密度分布的均匀化程度的改善。确切地说，当存在其中射束电流密度低于另一个区域的电流密度的低电流密度区域时，均匀化控制设备90降低待被施加到与低电流密度区域相对应的电极对的电压，以便电场EY被导向与低电流密度区域相对应的均匀化透镜750的区域，从其邻近的设备处，并且，在相反的情况下，进行相反的操作(也就是提高电压，并且减小或者逆向导向电场EY)，从而执行位于注入位置上的离子束50在Y方向上的射束电流密度分布的均匀化控制。
与如图48所示的例子中的一样，防护板756、758可以分别置于用于组成均匀化透镜750的电极752的上游侧和下游侧上。防护板756、758的长度覆盖了在Y方向上并联放置并且电气接地的整个电极752。当放置了防护板756、758时，可以防止电极752的电场泄漏到均匀化透镜750的上游侧和下游侧。结果，可以防止多余电场作用于位于均匀化透镜750的上游侧和下游侧附近的离子束50上从而不良地弯曲离子束50不良。
(7)关于偏转电磁石800
代替轨道控制透镜700a、700b和均匀化透镜750，在如图50和53的例子中可以放置偏转电磁石800。偏转电磁石800可以被看作是磁透镜的一种。
偏转电磁石800置于分析电磁石200和注入位置(也就是其中离子束50碰撞在衬底60上的位置)之间。例如，偏转电磁石置于分析电磁石200和加速/减速设备400之间。确切地说，偏转电磁石可以置于分析缝70和加速/减速设备400之间，或者分析电磁石200和分析缝70之间(在其中放置了焦点校正透镜610的情况下，在焦点校正透镜610和分析缝70之间)。
图50为正视图，示出了带有电源的偏转电磁石的例子，并且图51为沿着图50的线M-M看的侧面图，并且示出了其中发散射束形成为平行射束的情况。
带状离子束50碰撞在偏转电磁石800上，并且偏转电磁石沿着离子束50所穿过的射束路径802的X方向上产生磁场B1、B2。偏转电磁石800包括：第一磁极对810，具有在横跨射束路径802的X方向上彼此相对的磁极对812，并且其覆盖离子束50在Y方向上的一侧(在本实施例中为上侧)的大约一半或更多(换句话说基本上一半或更多)；第二磁极对820，具有在横跨射束路径802的X方向上彼此相对的磁极对822，并且其覆盖离子束50在Y方向上的另一侧(在本实施例中为下侧)的大约一半或更多(换句话说基本上一半或更多)；以及线圈834至837，其在第一磁极对810之间的间隙816和在第二磁极对820之间的间隙826中产生了彼此相反的磁场B1、B2。
位于第一磁极对810之间的间隙816的X-方向长度(间隙长度，下同)G1在Y方向上基本上是固定的。位于第二磁极对820之间的间隙长度G2在Y方向上也基本上是固定的。优选情况下，间隙长度G1、G2基本上是相等的。本例子是以这种方式配置的。
在该例子中，线圈834、835分别被缠绕在用于构成第一磁极对810的成对的磁极812上。线圈834、835彼此串联，并且被连接到直流电源840。通过直流电源840激发线圈，以产生例如在如图50所示的X方向上向右导向的磁场B1。
线圈836、837分别被缠绕在用于组成第二磁极对820的成对的磁极822上。线圈836、837彼此串联，并且被连接到直流电源842。通过直流电源842激发线圈，并且与线圈834、835的电流相反的激发电流流动，以产生例如在如图50所示的X方向上向左导向的磁场B2。
线圈的缠绕方式和个数，用于线圈的直流电源等并不限于例子中的那些情况。例如，所有线圈834至837可以串联，并且由单个直流电源进行激发。可选情况下，线圈可以只缠绕在左右磁极812中的一个和左右磁极822中的一个上，或者线圈可以被缠绕在后面将描述的轭830、832这两个或其中一个的中间部分上。在任何情况下，产生彼此相反的磁场B1、B2。如图53至55所示的例子是以类似方式配置的。
如图51所示，在偏转电磁石800中，随着从射束路径802的中心804在Y方向上进一步向外(垂直地)分离，用于构成第一和第二磁极对810、820的磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7越大。因此，磁极812、822的每一个的侧面形状都是类似于其中在Y方向上的外部较宽的三角形或楔形的形状。优选情况下，磁极812和磁极822具有在Y方向上基本上平面对称的形状，对称平面806穿过射束路径802在Y方向上的中心804，并且平行于XZ平面。本例子是以这种方式配置的。
在其中与如图51所示的情况一样，偏转电磁石800专门用于将发散的离子束50形成为平行射束的情况下，优选情况下磁极812、822的入口平面813、823形成为弓形，其在离子束传输方向Z中是膨胀的，并且出口平面814、824形成为线性形状。根据该结构，可以使相对于入口平面813、823和出口平面814、824的入射和发射角度在Y方向的任何位置中接近于直角。因此，离子束50可以容易地形成为平行射束。
在本例子中，线圈834至837沿着磁极812、822进行缠绕，并且具有通过改变矩形所得到的形状。不过，不必沿着磁极来缠绕线圈。例如，以与如图54所示的例子中的相同方式，线圈可以具有类似于矩形的形状。这是因为磁极812、822的形状是重要的。
在偏转电磁石800中，在第一磁极对810之间和在第二磁极对820之间的间隙826之间产生了如上所述的彼此相反的磁场B1、B2。因此，被施加到穿过间隙816、826的离子束50的Lorentz力F1、F2如图51所示是向内的。结果，产生了用于限制离子束50的功能。
此外，随着从射束路径802的中心804在Y方向上进一步向外(垂直地)分离，用于构成第一和第二磁极对810、820的磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7越大。因此，随着从射束路径802的中心804在Y方向上进一步向外分离，离子束50穿过位于磁极812、822之间的更长距离以被更强的弯曲。结果，可以控制离子束50在Y方向上的轨道状态。
当注意力集中在Y方向上时，例如，离子束50具有射束由于空间电荷效应而在Y方向上发散的属性。例如如图51所示，通常离子束的发散角度在Y方向上的中心804的附近是较小的，并且随着进一步向外部远离中心804，角度变得越大。这是由于，在发散射束中，随着进一步朝着终端前进，发散角度就越大所导致的。
相比之下，当如上所述改变磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7时，则随着离子束进一步向外远离中心804，离子束50弯曲得越强。因此，可以充分地补偿(取消)离子束50的发散，并且离子束可以形成为平行光束。也就是说，得到了在Y方向上发散的离子束50，同时可以将其形成为基本平行的射束。
改变磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7的程度可以根据入射离子束50的发散程度等进行确定。也就是说，在其中处理发散较大的离子束50的情况下，长度L6、L7的改变可以较大，并且在其中处理发散较小的离子束50的情况下，长度L6、L7的改变可以较小。
当在Y方向上基本平行的离子束50入射到偏转电磁石800上时，可以得到在Y方向上收敛的离子束50。离子束50具有射束由于空间电荷效应而发散的属性。特别地，在具有较低能量和较大射束电流的离子束50中，这一属性被强有力的展现。因此，当收敛的离子束50从偏转电磁石800得到以被由偏转电磁石800与衬底60之间的空间电荷效应导致的发散所平衡(抵消)时，入射到衬底60上的离子束50可以形成为基本平行的射束。
通过例如反向连接直流电源840、842，可使流经线圈834至837的电流的方向与上述情况中的那些电流方向相反，所以在如图52所示的例子中，磁场B1、B2的方向与图50和51的例子中的磁场方向相反。不过，磁场B1、B2的方向保持为彼此相反。
在图52的例子中，被施加到穿过间隙816、826的离子束50上的Lorentz力F1、F2是向外的。结果，产生了传播离子束50的功能。另外在本例子中，随着在Y方向上从射束路径802的中心804进一步向外分离，离子束50穿过位于磁极812、822之间的更长距离以被更强的弯曲。结果，可以控制离子束50在Y方向上的轨道状态。
例如，注意力集中在Y方向上。在其中例如离子束50穿过另一设备以在Y方向上被收敛(限制)的情况下，通常，离子束的收敛角度在例如如图52所示的例子中的Y方向上的中心804的附近是较小的，并且随着从中心804进一步向外分离，角度变得越大。这是由于，在收敛射束中，随着进一步朝着终端前进，收敛角度就越大所导致的。
相比之下，当如上所述改变磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7时，则随着离子束从中心804进一步向外分离，离子束50被弯曲得越强。因此，可以充分地补偿(取消)离子束50的收敛，并且离子束可以形成为平行光束。也就是说，可以得到在Y方向上收敛的离子束50，同时可以将其形成为基本平行的射束。
改变磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7的程度可以根据入射离子束50的收敛程度等进行确定。也就是说，在其中处理收敛较大的离子束50的情况下，长度L6、L7的改变可以较大，并且在其中处理收敛较小的离子束50的情况下，长度L6、L7的改变可以较小。
当在Y方向上基本平行的离子束50入射到偏转电磁石800上时，可以得到在Y方向上发散的离子束50。例如，在偏转电磁石800的下游侧上，放置了射束收敛设备。由于前者引起的发散和由于后者引起的收敛被相互组合，以便离子束50可以形成为平行射束。根据该结构，可以进一步增加离子束50在Y方向上的尺寸WY。
偏转电磁石800具有在上述情况的任一种中，与其中使用了静电场的情况相比，多余的透镜功能很难在X方向上出现这一特点。
偏转电磁石800进一步包括：第一轭830，将用于构成第一磁极对810的磁极812的一个(在图50的左侧中，下同)在X方向上的背面(与间隙816相对的表面，下同)磁性连接到位于与磁极812在X方向上的同一侧上的用于构成第二磁极对820的磁极822的一个在X方向上的背面；以及第二轭832，将用于构成第一磁极对810的磁极812的另一个(在图50的右侧中，下同)在X方向上的背面磁性连接到位于与磁极812在X方向上的同一侧上的用于构成第二磁极对820的磁极822的另一个在X方向上的背面。
根据该结构，通过第一磁极对810、第二磁极对820、第一轭830和第二轭832形成环状磁电路以便使得磁通形成环路(参见磁场B1至B4)。因此，可以减小磁场泄露到外部，并且可以在其中需要磁场的位于第一磁极对810之间的间隙816和位于第二磁极对820之间的间隙826中有效产生磁场B1、B2。
图53为正视图，示出了带有电源的偏转电磁石的另一例子，并且图54为沿着图53的线N-N观察的侧视图，示出了其中发散射束形成为平行射束的情况。与如图50至52所示的例子相同或相对应的部分用相同的附图标记表示。在以下描述中，重点放在与例子的差别上。
如图54所示，在偏转电磁石800中，用于构成第一和第二磁极对810、820的磁极812、822在离子束传输方向Z中的长度L6、L7在Y方向上基本是固定的。优选情况下，长度L6、L7是基本相等的。该例子是以这种方式配置的。
按照以上描述，如图53所示，随着在Y方向上从射束路径802的中心804进一步向外(垂直地)分离，第一磁极对810的间隙长度G1和第二磁极对820的间隙长度G2就越小。优选情况下，第一磁极对810的间隙816和第二磁极对820的间隙826具有在Y方向上基本平面对称的形状，对称平面806穿过射束路径802在Y方向上的中心804并且平行于XZ平面。该例子是以这种方式配置的。
当如上所述改变Y方向上的间隙长度G1、G2时，在接近射束路径802的中心804的位置上磁通密度较低，并且随着从中心804进一步向外分离，磁通密度变高。因此，随着离子束50在Y方向上从射束路径802的中心804进一步向外分离，离子束50就被弯曲得越强。结果，以与前面例子相同的方式，可以控制离子束50在Y方向上的轨道状态。
例如，与在如图54中的例子一样，发散入射的离子束50可以变成接***行的射束。图54对应于图51。当在Y方向上接***行的离子束50入射到偏转电磁石800上时，可以得到在Y方向上收敛的离子束50。该结构的目标和功能如上所述。
可使流经线圈834至837的电流的方向与上述情况相反，以便与如图52所示的例子中的一样，磁场B1、B2的方向与图54的例子的磁场方向相反。不过，磁场B1、B2的方向保持为彼此相反。图55对应于图52。
在图55的情况下，在Y方向上收敛的入射离子束50可以变成基本平行的射束。当在Y方向上基本平行的离子束50入射到偏转电磁石800上时，可以得到在Y方向上发散的离子束50。该结构的目标和功能如上所述。
改变在Y方向上的间隙长度G1、G2的程度可以根据入射离子束的发散(或收敛)程度等进行确定。也就是说，在其中处理发散(或收敛)较大的离子束50的情况下，间隙长度G1、G2的改变可以较大，并且在其中处理发散(或收敛)较小的离子束50的情况下，间隙长度G1、G2的改变可以较小。
当在如图1所示的离子注入机中放置了偏转电磁石800时，可以提高入射在衬底60上的离子束50在Y方向上的平行程度。结果，在衬底60上可以执行较高均匀化程度的离子注入。
在其中与电场透镜一样通过对离子束加速或减速来改变轨道的情况下，存在产生了其能量与入射离子束的能量相差为加速或减速能量的粒子(例如中性粒子)并且粒子进入衬底60(这被称为能量污染)的可能性。相比之下，在偏转电磁石800中，通过磁场来弯曲离子束的轨道，并且与电场透镜不同，不是通过加速或减速离子束来改变轨道。因此，不会发生能量污染。结果，偏转电磁石800可以置于加速/减速设备400和注入位置之间，或者置于接近衬底60的位置上。也就是说，在偏转电磁石800中，不会引起能量污染，并且因此在衬底60的附近可以提高离子束50的平行程度。因此，可以更为确信地提高入射在衬底60上的离子束50的平行程度。

Claims (13)

1.一种离子注入机，其中离子束的前进方向被设置为Z方向，在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向，并且其中Y方向的尺寸大于X方向的尺寸的带状离子束被照射到衬底上，从而执行离子注入，其中所述离子注入机包括：
离子源，其产生Y方向尺寸大于所述衬底的Y方向尺寸的带状离子束；
分析电磁石，其在X方向上弯曲来自所述离子源的离子束以分析动量，并且其在下游侧形成期望动量的离子束的焦点；
分析缝，其置于来自所述分析电磁石的所述离子束的焦点附近，并且其与所述分析电磁石合作以分析离子束的动量；
加速/减速设备，其通过静电场在X方向上弯曲穿过所述分析缝的离子束，并且其通过静电场来加速或减速离子束；以及
衬底驱动设备，在其中使穿过所述加速/减速设备的离子束入射到衬底上的注入位置处，所述衬底驱动设备在与离子束的主面相交的方向上移动衬底，
其中所述分析电磁石包括：
线圈，其具有：一套主体部分，其在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对；以及至少一套连接部分，其在Z方向上连接所述主体部分的末端部分，同时避免所述射束路径，所述线圈产生在X方向上弯曲离子束的磁场；以及
轭，其整个地包围所述线圈的所述主体部分的外侧，以及
其中，所述分析电磁石的所述线圈具有如下结构：其中的凹槽部分置于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开所述主体部分和所述连接部分，所述叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
2.一种离子注入机，其中离子束的前进方向被设置为Z方向，在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向，并且其中Y方向的尺寸大于X方向的尺寸的带状离子束被照射到衬底上，从而执行离子注入，其中所述离子注入机包括：
离子源，其产生Y方向尺寸大于所述衬底的Y方向尺寸的带状离子束；
分析电磁石，其在X方向上弯曲来自所述离子源的离子束以分析动量，并且其在下游侧形成期望动量的离子束的焦点；
分析缝，其置于来自所述分析电磁石的所述离子束的焦点附近，并且其与所述分析电磁石合作以分析离子束的动量；
加速/减速设备，其通过静电场在X方向上弯曲穿过所述分析缝的离子束，并且其通过静电场来加速或减速离子束；以及
衬底驱动设备，在其中使穿过所述加速/减速设备的离子束入射到衬底上的注入位置处，所述衬底驱动设备在与离子束的主面相交的方向上移动衬底，
其中所述分析电磁石包括：
第一线圈，它是一种马鞍形线圈，具有：一套主体部分，其在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上离子束的一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第一线圈与第二线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的磁场；
所述第二线圈，它是一种马鞍形线圈，具有：一套主体部分，其在横跨射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的另一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第二线圈与所述第一线圈在Y方向上重叠放置，并且与所述第一线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的磁场，；以及
轭，其整个地包围所述第一线圈和第二线圈的所述主体部分的外侧，并且
其中所述分析电磁石的所述第一和第二线圈的每一个具有如下结构：其中的凹槽部分置于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开所述主体部分和所述连接部分，所述叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
3.一种离子注入机，其中离子束的前进方向被设置为Z方向，在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向，并且其中Y方向的尺寸大于X方向的尺寸的带状离子束被照射到衬底上，从而执行离子注入，其中所述离子注入机包括：
离子源，其产生Y方向尺寸大于所述衬底的Y方向尺寸的带状离子束；
分析电磁石，其在X方向上弯曲来自所述离子源的离子束以分析动量，并且其在下游侧形成期望动量的离子束的焦点；
分析缝，其置于来自所述分析电磁石的所述离子束的焦点附近，并且其与所述分析电磁石合作以分析离子束的动量；
加速/减速设备，其通过静电场在X方向上弯曲穿过所述分析缝的离子束，并且其通过静电场来加速或减速离子束；以及
衬底驱动设备，在其中使穿过所述加速/减速设备的离子束入射到衬底上的注入位置处，所述衬底驱动设备在与离子束的主面相交的方向上移动衬底，
其中所述分析电磁石包括：
内线圈，其具有：一套主体部分，其在横跨离子束穿过的射束路径的X方向上彼此相对；以及连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述内线圈产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
一或多个第一外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于所述内线圈的外部，并且其在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第一外线圈产生次磁场，其辅助或校正主磁场；
一或多个第二外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于所述内线圈的外部，并且其在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第二外线圈与所述第一外线圈在Y方向上重叠放置，并且产生用于辅助或校正主磁场的次磁场；以及
轭，其整个地包围所述内线圈、所述第一和第二外线圈的所述主体部分的外侧，并且
其中所述分析电磁石的所述内线圈以及所述第一和第二外线圈的每一个具有如下结构：其中的凹槽部分置于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开所述主体部分和所述连接部分，所述叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
4.一种离子注入机，其中离子束的前进方向被设置为Z方向，在基本上垂直于Z方向的平面上基本上相互垂直的两个方向分别被设置为X和Y方向，并且其中Y方向的尺寸大于X方向的尺寸的带状离子束被照射到衬底上，从而执行离子注入，其中所述离子注入机包括：
离子源，其产生Y方向尺寸大于所述衬底的Y方向尺寸的带状离子束；
分析电磁石，其在X方向上弯曲来自所述离子源的离子束以分析动量，并且其在下游侧形成期望动量的离子束的焦点；
分析缝，其置于来自所述分析电磁石的所述离子束的焦点附近，并且其与所述分析电磁石合作以分析离子束的动量；
加速/减速设备，其通过静电场在X方向上弯曲穿过所述分析缝的离子束，并且其通过静电场来加速或减速离子束；以及
衬底驱动设备，在其中使穿过所述加速/减速设备的离子束入射到衬底上的注入位置处，所述衬底驱动设备在与离子束的主面相交的方向上移动衬底，
其中所述分析电磁石包括：
第一内线圈，它是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，其在横跨离子束所穿过的射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第一线圈与第二内线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
所述第二内线圈，它是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，其在横跨射束路径的X方向上彼此相对，并且覆盖Y方向上的离子束的另一侧的大约一半或更多；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第二内线圈与所述第一内线圈在Y方向上重叠放置，并且与所述第一内线圈合作以产生在X方向上弯曲离子束的主磁场；
一或多个第一外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于所述第一内线圈的外部，并且其在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第一外线圈产生用于辅助或校正主磁场的次磁场；
一或多个第二外线圈，它们是马鞍形线圈，具有：一套主体部分，位于所述第二内线圈的外部，并且其在横跨射束路径的X方向上彼此相对；以及一套连接部分，其与Z方向上的所述主体部分的末端部分相互连接，同时避免所述射束路径，所述第二外线圈与所述第一外线圈在Y方向上重叠放置，并且产生用于辅助或校正主磁场的次磁场；以及
轭，其整个地包围所述第一和第二内线圈以及所述第一和第二外线圈的所述主体部分的外侧，
其中所述分析电磁石的所述第一内线圈和所述第一外线圈的每一个具有如下结构：其中的凹槽部分置于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开所述主体部分和所述连接部分，所述叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体，并且
其中所述分析电磁石的所述第二内线圈和所述第二外线圈的每一个具有其中凹槽部分位于扇形圆柱形叠层线圈中，同时离开所述主体部分和所述连接部分的结构，所述叠层线圈配置如下：将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在迭片绝缘体的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体；将绝缘片和导体片的迭片堆叠起来，其中主面在堆栈的***表面上沿着Y方向延伸，同时缠绕迭片多匝；以及在堆栈的***表面上形成迭片绝缘体。
5.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，其中所述分析电磁石进一步包括：一套磁极，其从所述轭向内部突出，以便在横跨射束路径的Y方向上彼此相对。
6.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
焦点校正透镜，其置于所述离子源和所述分析电磁石之间，以及所述分析电磁石和所述分析缝之间中的至少一个中，并且通过静电场来执行校正，以使离子束的焦点位置与所述分析缝的位置相重合。
7.如权利要求6所述的离子注入机，其中所述焦点校正透镜具有入口、中间和出口电极，其排列在离子束前进方向上，同时在其间形成间隙，
所述焦点校正透镜的所述入口、中间和出口电极的每一个具有电极对，其在横跨离子束所穿过的间隙的X方向上彼此相对，并且彼此导电，
所述焦点校正透镜的所述入口和出口电极维持在同一电势，并且所述中间电极维持与所述入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使离子束的焦点与所述分析缝的位置相重合。
8.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，其中所述加速/减速设备具有第一至第三电极，它们在离子束前进方向上从上游侧开始按照所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极的顺序放置，并且在所述第一和第二电极，以及所述第二和第三电极之间的两阶段中加速或减速离子束，所述第二电极是由横跨离子射束路径的X方向上彼此相对的两个电极元件所配置，并且这两个电极元件被施加不同的电势以便在X方向上偏转离子束，并且所述第三电极沿着偏转之后具有特定能量的离子束的轨道放置。
9.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
轨道控制透镜，其置于所述分析电磁石和所述加速/减速设备之间，通过静电场在Y方向上弯曲离子束，并且它具有排列在离子束前进方向上的入口、中间和出口电极，同时在它们之间形成间隙，
其中所述轨道控制透镜的所述入口、中间和出口电极的每一个具有电极对，其在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电，
所述轨道控制透镜的所述中间电极具有凸表面，该凸表面在离子束前进方向上的上游和下游侧表面的每一个上在Y方向上弯曲，
所述轨道控制透镜的所述入口和出口电极的每一个在与所述中间电极的所述凸表面相对的表面中具有凹表面，所述凹表面沿着所述凸表面延伸，并且
所述轨道控制透镜的所述入口和出口电极维持在相同电势，并且所述中间电极维持与所述入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使由所述轨道控制透镜所得到的离子束的Y方向上的轨道状态达到期望状态。
10.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
轨道控制透镜，置于所述分析电磁石和所述加速/减速设备之间，通过静电场在Y方向上弯曲离子束，并且它具有排列在离子束前进方向上的入口、中间和出口电极，同时在它们之间形成间隙，
其中所述轨道控制透镜的所述入口、中间和出口电极的每一个具有电极对，其在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电，
所述轨道控制透镜的所述中间电极具有在Y方向上弯曲的凹表面，在离子束前进方向上的上游和下游侧表面的每一个上，
所述轨道控制透镜的所述入口和出口电极的每一个在与所述中间电极的所述凹表面相对的表面中具有凸表面，所述凸表面沿着所述凹表面延伸，
所述轨道控制透镜的所述入口和出口电极维持在相同电势，并且所述中间电极维持与所述入口和出口电极的电势不同的电势，并且该电势使由所述轨道控制透镜所得到的离子束的Y方向上的轨道状态达到期望状态。
11.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
均匀化透镜，置于所述分析电磁石和所述加速/减速设备之间，它在Y方向上具有在横跨离子束穿过的间隙的X方向上彼此相对并且彼此导电的多对电极，通过静电场在离子束的Y方向上的多个位置弯曲轨道，并且使在注入位置处的离子束的Y方向上射束电流密度分布均匀。
12.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
偏转电磁石，其置于所述分析电磁石和注入位置之间，在离子束穿过的射束路径中产生沿着X方向延伸的磁场，
其中所述偏转电磁石包括：
第一磁极对，其具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的一侧的大约一半或更多；
第二磁极对，其具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的另一侧的大约一半或更多；以及
线圈，其在所述第一磁极对中的间隙中和所述第二磁极对中的间隙中产生相反的磁场，
其中随着距离射束路径的中心在Y方向进一步向外分离，则构成所述第一和第二磁极对的所述磁极的离子束前进方向上的长度越大。
13.如权利要求1至4中的任何一个所述的离子注入机，进一步包括：
偏转电磁石，其置于所述分析电磁石和注入位置之间，在离子束穿过的射束路径中产生沿着X方向延伸的磁场，
其中所述偏转电磁石包括：
第一磁极对，其具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的一侧的大约一半或更多；
第二磁极对，其具有在横跨射束路径的X方向上彼此相对的磁极对，并且覆盖Y方向上离子束的另一侧的大约一半或更多；以及
线圈，在所述第一磁极对中的间隙中和所述第二磁极对中的间隙中产生相反的磁场，并且
其中随着距离射束路径的中心在Y方向进一步向外分离，则所述第一和第二磁极对中的间隙长度越小。
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