JP4218699B2

JP4218699B2 - 分析電磁石

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Inventors: 正二郎土肥
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Description

この発明は、例えばイオン注入装置、イオンドーピング（登録商標）装置等に用いられるものであって、イオンビームを偏向させてイオンビームの運動量分析（例えば質量分析）を行う分析電磁石に関し、より具体的には、リボン状のイオンビームの運動量分析を行う分析電磁石に関する。

イオンビームを偏向させてイオンビームの運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行う従来の分析電磁石の一例が、例えば特許文献１に記載されている。

そのような従来の分析電磁石に、例えば図１５に示すように、進行方向ｚと交差する面内におけるｙ方向の寸法Ｗ_yが当該ｙ方向と直交するｘ方向の寸法Ｗ_xよりも大きいリボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）の形をしているイオンビーム２が、平面形状が湾曲していてｙ方向においてギャップをあけて相対向している磁極間に入射する場合の例を図１１に示す。この図１１はイオンビーム２の入口付近を示す。

この分析電磁石４は、断面形状がＨ形をしている鉄心６を有している。鉄心６は、ｙ方向においてギャップ１２をあけて相対向している上下一対の磁極８と、両磁極８間をつなぐヨーク１０とを有している。両磁極８は、平面形状が扇形に湾曲している。両磁極８の相対向面９は、互いに平行である。各磁極８の根本部には、コイル１４がそれぞれ巻かれている。この例では、磁界は上向きに発生する。この磁界を、何本かの磁力線１６で模式的に表している（他の図においても同様）。

イオンビーム２は、リボン状と言っても、ｘ方向の寸法Ｗ_xが紙のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_yは４００ｍｍ〜９００ｍｍ程度、ｘ方向の寸法Ｗ_xは３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。

このようなイオンビーム２が上下の磁極８間に、即ちギャップ１２に入射すると、当該イオンビーム２は、進行中に、その進行方向ｚに見て右向きのローレンツ力を受けて右向きに偏向され、それによって運動量分析が行われる。この明細書において、イオンビーム２を構成するイオンは正イオンの場合を例に説明している。

実開昭６４−７７５３号公報（第１図）

上記のような分析電磁石４に、上記のようなリボン状のイオンビーム２を入射する場合、上下の磁極８間のギャップ１２のｙ方向の長さであるギャップ長Ｇは、イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_yに対応させる必要があるので、非常に大きくなる。

従って、ギャップ１２における磁力線１６のｘ方向の両外側への膨らみも大きくなる。ギャップ１２における磁束密度Ｂは、上下の磁極８間の（即ちギャップ１２の）中心１２ａ付近で相対的に小さくなり、上下の磁極８に近づくほど（即ちギャップ１２の中心１２ａから上下に離れるほど）相対的に大きくなって、磁束密度にｙ方向において粗密が生じるが、上記磁力線１６の膨らみが大きくなると、この粗密の差も大きくなる。

ギャップ１２を通過中のイオンビーム２が磁界によって受けるローレンツ力Ｆは、次式で表される。ここで、ｑはイオンビーム２を構成するイオンの電荷、ｖはイオンビーム２の速度であり一定、Ｂは上記磁束密度である。

［数１］
Ｆ＝ｑｖＢ

この式からも分かるように、磁束密度Ｂに上記のような粗密が生じると、通過中のイオンビーム２が受けるｘ方向のローレンツ力Ｆ_xも一様でなくなる。即ち、図１３に示す例のように、ｘ方向のローレンツ力Ｆ_xは、ギャップ１２の中心１２ａ付近で相対的に小さく、中心１２ａから上下に離れるほど相対的に大きいという不均一な分布になる。

その結果、分析電磁石４に図１１に示すようにｙ方向に真っ直ぐなイオンビーム２を入射しても、分析電磁石４から出射する際のイオンビーム２の形状は、例えば図１２に示すように、上記ｘ方向のローレンツ力Ｆ_xの分布に似た形状をした弓形に歪む（曲がる）。言わば、く字状のような弓形に歪む。この図１２は、分析電磁石４の出口付近を示す。

分析電磁石４から出射するイオンビーム２の形状が上記のように歪むと、種々の問題を惹き起こす。

例えば、分析電磁石４の下流側には、通常、分析電磁石４と協働してイオンビーム２の運動量分析を行う分析スリットが設けられている。この分析スリット２０の一例を図１４に示す。分析スリット２０のスリット２２は直線であるので、イオンビーム２が上記のように歪むと、分析スリット２０によってカットされる部分２ａ、２ｂ、２ｃ（ハッチングを付した部分）が生じ、分析スリット２０を通過する所望イオン種のイオンビーム２の量が減る。カットされる部分が生じるから、イオンビーム２の均一性も悪くなる。カットされるのを避けるためにスリット２２の幅Ｗ_sを広げると、分解能が低下する。

また、所望のイオン種（例えば¹¹Ｂ⁺）と運動量の近い不所望のイオン種（例えば¹⁰Ｂ⁺）の軌道も同様に弓形に歪むので、本来はスリット２２を通過できないものが通過するようになり、この観点からも分解能が低下する。

分析スリット２０における上記のような問題以外にも、上記のように歪んだ形状のイオンビーム２を用いて、ターゲット（例えば半導体基板、ガラス基板等）にイオン注入等の処理を施すと、処理の均一性が悪くなるという問題が生じる。

なお、次の特許文献２には、リボン状のイオンビームをその長手方向において挟む主磁極の両側に第１および第２の副磁極を設けて、この３種の磁極のギャップ長を調整することにより、主磁極間の磁力線を平行化する分析電磁石が記載されている。このような技術を用いれば、上記イオンビームが歪むという課題を解決することができるかも知れないが、構造が複雑になるという別の課題が生じる。

［特許文献２］特開２００５−３２７７１３号公報（段落００８７−００８９、図８、図９）

そこでこの発明は、比較的簡単な構造で、リボン状のイオンビームの上記のような歪みを小さくすることができる分析電磁石を提供することを主たる目的としている。

この発明に係る分析電磁石の一つは、イオンビームの進行方向をｚ方向とすると、当該進行方向ｚと交差する平面内におけるｙ方向の寸法が当該ｙ方向と直交するｘ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビームを、その軌道がｘｚ平面内で円弧状軌道を描くように曲げて当該イオンビームの運動量分析を行う分析電磁石であって、前記イオンビームの長手方向であるｙ方向においてギャップをあけて相対向していてイオンビームを前記のように曲げる磁界を発生させる磁極を有している分析電磁石において、前記磁極をイオンビームの進行方向に沿って３以上の奇数の部分磁極に分割し、イオンビームの入口から数えて奇数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の外側方向に向けて広げ、イオンビームの入口から数えて偶数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の中心方向に向けて広げていることを特徴としている。

この分析電磁石においては、各部分磁極のギャップを上記のように広げることによって、各ギャップにおける磁力線の膨らみが大きくなって各ギャップにおける磁束密度にｙ方向において粗密が生じるので、リボン状のイオンビームが受けるｘ方向のローレンツ力に、ギャップの中心付近よりもｙ方向の上下に離れた所の方が大きいという第１の不均一な分布が生じる。

一方、各ギャップにおける磁力線の膨らみが大きくなることによって、リボン状のイオンビームが受けるローレンツ力のｘ方向成分に、ギャップの中心付近の方がｙ方向の上下に離れた所よりも大きいという第２の不均一な分布が生じる。

イオンビームは、各部分磁極のギャップにおいて上記第１の分布および第２の分布のローレンツ力を共に受けるが、両分布は互いに大小関係が逆であるので両分布を総合すると、リボン状のイオンビームが受けるｘ方向のローレンツ力の分布の不均一を小さくすることができる。従って、通過中のイオンビームに働くローレンツ力の差によるイオンビームの上記のような歪みを小さくすることができる。このような作用が各部分磁極において行われる。

更に、磁極を上記のように３以上の奇数に分割すると共に各部分磁極のギャップの広げ方を上記のように交互に逆にすることによって、この分析電磁石から出射するイオンビームのｙ方向における発散または集束を抑えると共に、出射イオンビームのｙ方向の寸法を入射イオンビームのｙ方向の寸法に近づけることができる。

上記とは逆に、イオンビームの入口から数えて奇数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の中心方向に向けて広げ、イオンビームの入口から数えて偶数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の外側方向に向けて広げていても良い。

前記３以上の奇数の部分磁極の内の少なくとも一つの部分磁極のギャップを、複数段階に分けて広げていても良い。

前記磁極の分割数が３が好ましい。

請求項１、２に記載の発明によれば、各部分磁極のギャップを上記のように広げたことによって、各部分磁極のギャップにおいてリボン状のイオンビームが受けるｘ方向のローレンツ力の分布の不均一を小さくすることができる。その結果、出射するリボン状のイオンビームの歪みを小さくすることができる。しかもこれを、比較的簡単な構造で実現することができる。

更に、磁極を上記のように３以上の奇数に分割すると共に各部分磁極のギャップの広げ方を上記のように交互に逆にしたことによって、この分析電磁石から出射するイオンビームのｙ方向における発散または集束を抑えると共に、出射イオンビームのｙ方向の寸法を入射イオンビームのｙ方向の寸法に近づけることができる。両寸法が互いに実質的に等しく、かつ平行性の高いイオンビームを出射することもできる。

また、請求項１に記載の発明の場合は、入射イオンビームを１番目の部分磁極によってまず集束させることになるので、入射イオンビームを１番目の部分磁極によってまず発散させることになる請求項２に記載の発明に比べて、部分磁極のｙ方向のギャップ長を入射イオンビームのｙ方向の寸法に対応するものよりも大きくせずに済み、分析電磁石を小型化することができるという利点がある。

請求項３に記載の発明によれば、ギャップを複数段階に分けて広げている部分磁極において、磁界の分布をよりきめ細かく調整することができるので、イオンビームの形状を調整することがより容易になる、という更なる効果を奏する。

請求項４に記載の発明によれば、分割数が一番少なくて済むので、分析電磁石の構造を一番簡単にすることができる。

図１は、この発明に係る分析電磁石の一実施形態を示す平面図である。図１１、図１２に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。

この分析電磁石４０は、上記従来の分析電磁石４を構成する磁極８に代わるものとして、磁極８０を備えている。この磁極８０のギャップに、ｙ方向に長いリボン状をした上記イオンビーム２が入射される。この磁極８０も、平面形状が扇形に湾曲している。この分析電磁石４０を通過するイオンビーム２の中心軌道を符号２ｄで示す。磁極８０へのイオンビーム２の入射角αおよび磁極８０からのイオンビーム２の出射角βは、この実施形態では共に実質的に９０度にしている。

この磁極８０を、この実施形態では、イオンビーム２の進行方向ｚに沿って三つの部分磁極８１、８２、８３に分割している。コイル１４は三つの部分磁極８１〜８３を一括して取り囲んでおり、三つの部分磁極８１〜８３に共通である（以下に述べる他の実施形態においても同様）。各部分磁極８１〜８３は、それぞれ、図２、図３に示すように、ｙ方向においてギャップ１２をあけて相対向している上下一対の部分磁極から成る。この各部分磁極８１〜８３のギャップ１２を、ｙ方向に長いリボン状をしたイオンビーム２が通過する。イオンビーム２の経路は、非磁性材から成る真空容器１８で囲まれていて、真空雰囲気に保たれる。

そして、イオンビーム２の入口から数えて奇数番目、即ちこの実施形態では１番目および３番目の部分磁極８１および８３のギャップ１２を、図２に示すように、上記湾曲の（換言すれば曲率半径の）外側（図２の左側）に向けて広げている。換言すれば、ギャップ１２のｙ方向のギャップ長Ｇを、上記湾曲の内側よりも外側の方が次第に大きくなるようにしている。この実施形態では、部分磁極８１と８３とは互いに同じギャップ形状をしているので、同じ図２で表している。

より具体的には、この実施形態では、部分磁極８１および８３の各ギャップ１２を、それぞれ３段階に分けて広げている。即ち、部分磁極８１および８３の上下の相対向面７０を、内側端ａから少し外側へ行った箇所ｂまではｘ方向に実質的に平行にし、そこから少し外側へ行った箇所ｃまではｙ方向の上下に大きく傾け、そこから少し外側へ行った箇所ｄまではｙ方向の上下に中位に傾け、そこから外側端ｅまではｙ方向の上下に小さく傾けている。上下の相対向面７０は、ギャップ１２の中心１２ａに対して線対称の形状をしている。

一方、イオンビーム２の入口から数えて偶数番目、即ちこの実施形態では２番目の部分磁極８２のギャップ１２を、図３に示すように、上記湾曲の内側（図３の右側）に向けて広げている。換言すれば、ギャップ１２のｙ方向のギャップ長Ｇを、上記湾曲の外側よりも内側の方が次第に大きくなるようにしている。

より具体的には、この実施形態では、部分磁極８２のギャップ１２を、２段階に分けて広げている。即ち、部分磁極８２の上下の相対向面７０を、外側端ｆから少し内側へ行った箇所ｇまではｘ方向に実質的に平行にし、そこから少し内側へ行った箇所ｈまではｙ方向の上下に大きく傾け、そこから内側端ｉまではｙ方向の上下に小さく傾けている。上下の相対向面７０は、ギャップ１２の中心１２ａに対して線対称の形状をしている。

なお、上記各部分磁極８１〜８３を、それぞれ、（ａ）コイル１４が巻かれていてｙ方向の内側面がｘ方向に沿った（例えば実質的に平行な）磁極と、（ｂ）この磁極のｙ方向の内側に取り付けられていて、相対向面７０が上記のように広がっていて上記のように広がったギャップ１２を形成する一つまたは複数の磁極片とで構成しても良い（後述する他の実施形態においても同様）。そのようにしても磁気回路としては実質的に同じだからである。

部分磁極８１および８３の各ギャップ１２を上記のように広げたことによって、図２中に示すように、各ギャップ１２における磁力線１６の外側への膨らみが大きくなるので、各ギャップ１２における磁束密度Ｂは、ギャップ１２の中心１２ａ付近で相対的に小さくなり、中心１２ａから上下に離れるほど相対的に大きくなって、磁束密度Ｂにｙ方向において粗密が生じる。

この磁束密度Ｂの粗密によって、部分磁極８１および８３の各ギャップ１２を通過中のイオンビーム２が受けるｘ方向のローレンツ力Ｆ_xに、図４に示す例のように、ギャップ１２の中間１２ａ付近よりも、ｙ方向の上下に離れた所の方が大きいという第１の不均一な分布が生じる。

一方、部分磁極８１および８３の各ギャップ１２における磁力線１６の外側への膨らみが大きくなることによって、図５に示すように、リボン状のイオンビームが受けるローレンツ力Ｆのｘ方向成分Ｆ_xに、ギャップ１２の中心１２ａ付近の方がｙ方向の上下に離れた所よりも大きいという第２の不均一な分布が生じる。

イオンビーム２は、部分磁極８１および８３の各ギャップ１２において上記第１の分布および第２の分布のローレンツ力Ｆ_xを共に受けるが、両分布は互いに大小関係が逆であるので両分布を総合すると、リボン状のイオンビーム２が受けるｘ方向のローレンツ力Ｆ_xの分布のｙ方向における不均一を小さくすることができる。従って、通過中のイオンビーム２に働くローレンツ力の差によるイオンビーム２の前述したような弓形の歪みを小さくすることができる。このような作用が各部分磁極８１および８３において行われる。

部分磁極８２においても、そのギャップ１２を上記のように広げたことによって、図３中に示すように、ギャップ１２における磁力線１６の内側への膨らみが大きくなるので、ギャップ１２における磁束密度Ｂは、ギャップ１２の中心１２ａ付近で相対的に小さくなり、中心１２ａから上下に離れるほど相対的に大きくなって、磁束密度Ｂにｙ方向において粗密が生じる。

この磁束密度Ｂの粗密によって、部分磁極８２のギャップ１２を通過中のイオンビーム２が受けるｘ方向のローレンツ力Ｆ_xに、上記図４に示した例と同様に、ギャップ１２の中心１２ａ付近よりも、ｙ方向の上下に離れた所の方が大きいという第１の不均一な分布が生じる。

一方、部分磁極８２のギャップ１２における磁力線１６の内側への膨らみが大きくなることによって、図６に示すように、リボン状のイオンビームが受けるローレンツ力Ｆのｘ方向成分Ｆ_xに、ギャップ１２の中心１２ａ付近の方がｙ方向の上下に離れた所よりも大きいという第２の不均一な分布が生じる。

イオンビーム２は、部分磁極８２のギャップ１２において上記第１の分布および第２の分布のローレンツ力Ｆ_xを共に受けるが、両分布は互いに大小関係が逆であるので両分布を総合すると、リボン状のイオンビーム２が受けるｘ方向のローレンツ力Ｆ_xの分布のｙ方向における不均一を小さくすることができる。従って、通過中のイオンビーム２に働くローレンツ力の差によるイオンビーム２の前述したような弓形の歪みを小さくすることができる。このような作用が部分磁極８２においても行われる。

このように、この分析電磁石４０では、各部分磁極８１〜８３において、そこを通過中のイオンビーム２に働くローレンツ力Ｆ_xの差によるイオンビーム２の上記のような歪みを小さくすることができる。この作用は、各部分磁極８１〜８３のギャップ１２の広げ方や、各部分磁極８１〜８３のイオンビーム進行方向ｚに沿う方向の長さ等によって調整することができる（後述する分析電磁石４０ａ等の他の実施形態においても同様）。その結果、この分析電磁石４０から出射するイオンビーム２の上記のような歪みを小さくして、真っ直ぐに近いイオンビーム２を出射することもできる。

従って、イオンビーム２の形状が歪むことによる前述した問題の発生を防止することができる。即ち、所望イオン種の量を多く取ることができ、しかも分解能を高くすることができる。また、ターゲット処理の均一性を良くすることができる。

しかも、磁極８０を上記構造にする方が、上記特許文献２に記載された磁極構造よりも構造が簡単であるので、比較的簡単な構造で、リボン状のイオンビーム２の上記のような歪みを小さくすることができる。

次に、各部分磁極８１〜８３におけるイオンビーム２のｙ方向の集束および発散について説明する。

図５に示したように、部分磁極８１および８３の各ギャップ１２においては、イオンビーム２が受けるローレンツ力Ｆのｙ方向成分Ｆ_yは、ギャップ１２の中心１２ａに向かうので、イオンビーム２はｙ方向において集束力を受ける。即ち、部分磁極８１および８３は、イオンビーム２をｙ方向において集束させる作用を奏する。この部分磁極８１および８３を凸レンズで模して図７中に示す。

一方、図６に示したように、部分磁極８２のギャップ１２においては、イオンビーム２が受けるローレンツ力Ｆのｙ方向成分Ｆ_yは、ギャップ１２の中心１２ａとは反対側に向かうので、イオンビーム２はｙ方向において発散力を受ける。即ち、部分磁極８２は、イオンビーム２をｙ方向において発散させる作用を奏する。この部分磁極８２を凹レンズで模して図７中に示す。

このように、各部分磁極８１〜８３のギャップ１２を上記のように広げることによって、通過中のイオンビーム２に働くローレンツ力の差によるイオンビーム２の前述したような弓形の歪みを小さくすることができるが、それと共に、イオンビーム２はｙ方向において集束力または発散力を受けることになる。

しかし、この分析電磁石４０では、磁極８０を上記のように３分割すると共に、各部分磁極８１〜８３のギャップ１２の広げ方を上記のように交互に逆にしているので、図７に示すように、入射イオンビーム２をまず１番目の部分磁極８１によって集束させ、次に２番目の部分磁極８２によって発散させ、更に３番目の部分磁極８３によって集束させることができる。その結果、この分析電磁石４０から出射するイオンビーム２のｙ方向における発散または集束を抑えると共に、出射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y2を入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1に近づけることができる。この作用は、各部分磁極８１〜８３のギャップ１２の広げ方や、各部分磁極８１〜８３のイオンビーム進行方向ｚに沿う方向の長さ等によって調整することができる（後述する分析電磁石４０ａ等の他の実施形態においても同様）。その結果、両寸法Ｗ_y1、Ｗ_y2が互いに実質的に等しく、かつ平行性の高いイオンビーム２を出射することもできる。

上記のように、各部分磁極８１〜８３において、ギャップ１２における磁力線１６の膨らみを利用してイオンビーム２を集束または発散させることができるので、この分析電磁石４０では、上記入射角α、出射角βを９０度以外にすることによるエッジフォーカスを利用せずに済む。従ってこの分析電磁石４０では、上記入射角αおよび出射角βを共に実質的に９０度にしている。後述する分析電磁石４０ａにおいても同様である。

磁極８０を３以上の奇数に分割した各部分磁極のギャップ１２の広げ方の順番は、上記実施形態とは逆にしても良い。これを分割数が３の場合を例に説明すると、イオンビーム２の入口から数えて奇数番目、即ち１番目および３番目の部分磁極のギャップ１２を上記湾曲の内側に向けて広げる。この部分磁極を符号８１ａおよび８３ａで示すことにすると、両部分磁極８１ａおよび８３ａは、例えば、図３に示した部分磁極８２と同様の構造をしている。従って、両部分磁極８１ａおよび８３ａは、上記部分磁極８２と同様の作用によって、図８中に凹レンズで模して示すように、イオンビーム２をｙ方向において発散させる作用を奏する。

一方、イオンビーム２の入口から数えて偶数番目、即ち２番目の部分磁極のギャップ１２を上記湾曲の外側に向けて広げる。この部分磁極を符号８２ａで示すことにすると、部分磁極８２ａは、例えば、上記部分磁極８１または８３と同様の構造をしている。従って、この部分磁極８２ａは、上記部分磁極８１または８３と同様の作用によって、図８中に凸レンズで模して示すように、イオンビームをｙ方向において集束させる作用を奏する。

このような部分磁極８１ａ〜８３ａを有している図８に示す分析電磁石４０ａも、上記分析電磁石４０とほぼ同様の作用効果を奏することができる。

即ち、入射イオンビーム２をまず１番目の部分磁極８１ａによって発散させ、次に２番目の部分磁極８２ａによって集束させ、更に３番目の部分磁極８３ａによって発散させることができる。その結果、この分析電磁石４０ａから出射するイオンビーム２のｙ方向における発散または集束を抑えると共に、出射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y2を入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1に近づけることができる。その結果、両寸法Ｗ_y1、Ｗ_y2が互いに実質的に等しく、かつ平行性の高いイオンビーム２を出射することもできる。

また、各部分磁極８１ａ〜８３ａは、上記部分磁極８１〜８３と同様の作用によって、通過中のイオンビーム２に働くローレンツ力の差によるイオンビーム２の前述したような弓形の歪みを小さくすることができる。その結果、この分析電磁石４０ａから出射するイオンビーム２の上記のような歪みを小さくして、真っ直ぐに近いイオンビームを出射することができる。

両分析電磁石４０、４０ａの作用効果の差を説明すると、分析電磁石４０は図７に示したように、入射イオンビーム２を１番目の分析電磁石８１によってまず集束させることになるのに対して、分析電磁石４０ａは図８に示したように、入射イオンビーム２を１番目の部分磁極８１ａによってまず発散させることになる。従って、分析電磁石４０ａの場合は、部分磁極８２ａ等のｙ方向のギャップ長Ｇを、入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1に対応するものよりも大きくしなければならない。これに対して、分析電磁石４０の場合はそのようにせずに済むので、分析電磁石４０ａよりも分析電磁石４０の方が小型化が可能である。

出射するイオンビーム２のｙ方向における発散または集束を抑えると共に、出射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y2を入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1に近づけることができるという作用効果は、磁極８０を３以上の奇数に分割すると共に各部分磁極のギャップの広げ方を上記のように交互に逆にすること以外では奏することはできない。

例えば、磁極８０の分割数が偶数の場合、例えば図９に示すように上記部分磁極８１と８２の二つの場合、部分磁極８２から出射するイオンビーム２の発散または集束を抑えることができても、出射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y2は入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1よりも小さくなってしまう。そのようになると、例えば、（ａ）出射イオンビーム２のビーム電流密度が入射イオンビーム２のビーム電流密度よりも大きくなってしまう、（ｂ）入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1を想定していたターゲットの全面にイオンビーム照射を行うことができなくなる、等の問題が生じる。分割数が４以上の偶数の場合も同様の問題が生じる。

また、例えば図１０に示すように上記部分磁極８１ａと８２ａの二つの場合は、部分磁極８２ａから出射するイオンビーム２の発散または集束を抑えることができても、出射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y2は入射イオンビーム２のｙ方向の寸法Ｗ_y1よりも大きくなってしまう。そのようになると、例えば、（ａ）出射イオンビーム２のビーム電流密度が入射イオンビーム２のビーム電流密度よりも小さくなってしまう、（ｂ）出射イオンビーム２が衝突しないようにするためにはビームラインの寸法を大きくしなければならない、等の問題が生じる。分割数が４以上の偶数の場合も同様の問題が生じる。

磁極８０の分割数が奇数でも１の場合は（これは磁極８０を分割しないことと同じである）、図９に示した部分磁極８１のみ、または図１０に示した部分磁極８１ａのみの場合と同様であり、出射イオンビーム２は集束または発散してしまう。いずれの場合も、イオンビーム２の正常な輸送が困難になる等の問題が生じる。

以上の理由から、磁極８０の分割数を１または偶数にすることは好ましくない。

磁極８０の分割数を５以上の奇数にしても良い。その場合は、例えば、図７に示した部分磁極８２および８３の組を複数組繰り返して設けたのと同様になる。その場合でも、上記分析電磁石４０と同様の効果を奏することはできる。または、図８に示した部分磁極８２ａおよび８３ａの組を複数組繰り返して設けたのと同様になる。この場合も、上記分析電磁石４０ａと同様の効果を奏することができる。

もっとも、磁極８０の分割数を３にする方が、分割数が１番少なくて上記効果を奏することができるので、分析電磁石４０、４０ａの構造を一番簡単にすることができる。

分析電磁石４０の各部分磁極８１〜８３のギャップ１２を、例えば上記実施形態のように複数段階に分けて広げると、磁界の分布をよりきめ細かく調整することができるので、イオンビーム２の形状を調整することがより容易になる。全ての部分磁極８１〜８３を上記のようにせずに、少なくとも一つの部分磁極を上記のようにしても、当該部分磁極において上記効果を奏することができるが、全ての部分磁極８１〜８３を上記のようにする方が好ましい。より多くの部分磁極において上記効果を奏することができるからである。図８を参照して説明した分析電磁石４０を構成する部分磁極８１ａ〜８３ａについても同様である。

各部分磁極のギャップ１２は、上記のように複数段階に分けて広げる代わりに、直線状に、または中心１２ａ側に凸の曲線状に、または中心１２ａ側に凹の曲線状に広げても良い。複数の部分磁極において、これらの形状を組み合わせて採用しても良い。

イオンビーム２の入口から数えて奇数番目の部分磁極同士で同じ形状のギャップ１２を採用しても良いし、異なる形状のギャップ１２を採用しても良い。イオンビーム２の入口から数えて偶数番目の部分磁極同士についても同様である。

鉄心６の断面形状はＣ形でも良い。

この発明に係る分析電磁石の一実施形態を示す平面図である。図１中の線Ａ−Ａまたは線Ｃ−Ｃに沿う概略断面図である。図１中の線Ｂ−Ｂに沿う概略断面図である。部分磁極のギャップにおける磁束密度の粗密によるローレンツ力の分布の概略例を示す図である。図２中の磁力線の一つを拡大して示す図である。図３中の磁力線の一つを拡大して示す図である。図１に示した三つの部分磁極によるイオンビームの集束および発散の状況の一例を示す概略図であり、三つの部分磁極を凸レンズおよび凹レンズで模して示している。この発明に係る分析電磁石の他の実施形態における三つの部分磁極によるイオンビームの発散および集束の状況の一例を示す概略図であり、三つの部分磁極を凹レンズおよび凸レンズで模して示している。磁極を偶数の部分磁極に分割した場合のイオンビームの集束および発散の状況の一例を示す概略図であり、二つの部分磁極を凸レンズおよび凹レンズで模して示している。磁極を偶数の部分磁極に分割した場合のイオンビームの発散および集束の状況の他の例を示す概略図であり、二つの部分磁極を凹レンズおよび凸レンズで模して示している。従来の分析電磁石の一例を、イオンビームの進行方向に見て示す断面図であり、入口付近を示す。従来の分析電磁石の一例を、イオンビームの進行方向に見て示す断面図であり、出口付近を示す。図１１および図１２に示した磁極のギャップにおける磁束密度の粗密によるローレンツ力の分布の概略例を示す図である。図１２に示すイオンビームが分析スリットに入射する場合の例を、イオンビームの進行方向に見て示す正面図である。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。

符号の説明

２イオンビーム
６鉄心
１２ギャップ
１４コイル
１６磁力線
４０、４０ａ分析電磁石
８０磁極
８１、８２、８３、８１ａ、８２ａ、８３ａ部分磁極

Claims

イオンビームの進行方向をｚ方向とすると、当該進行方向ｚと交差する平面内におけるｙ方向の寸法が当該ｙ方向と直交するｘ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビームを、その軌道がｘｚ平面内で円弧状軌道を描くように曲げて当該イオンビームの運動量分析を行う分析電磁石であって、前記イオンビームの長手方向であるｙ方向においてギャップをあけて相対向していてイオンビームを前記のように曲げる磁界を発生させる磁極を有している分析電磁石において、
前記磁極をイオンビームの進行方向に沿って３以上の奇数の部分磁極に分割し、イオンビームの入口から数えて奇数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の外側方向に向けて広げ、イオンビームの入口から数えて偶数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の中心方向に向けて広げていることを特徴とする分析電磁石。
イオンビームの進行方向をｚ方向とすると、当該進行方向ｚと交差する平面内におけるｙ方向の寸法が当該ｙ方向と直交するｘ方向の寸法よりも大きいリボン状の形をしているイオンビームを、その軌道がｘｚ平面内で円弧状軌道を描くように曲げて当該イオンビームの運動量分析を行う分析電磁石であって、前記イオンビームの長手方向であるｙ方向においてギャップをあけて相対向していてイオンビームを前記のように曲げる磁界を発生させる磁極を有している分析電磁石において、
前記磁極をイオンビームの進行方向に沿って３以上の奇数の部分磁極に分割し、イオンビームの入口から数えて奇数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の中心方向に向けて広げ、イオンビームの入口から数えて偶数番目の部分磁極のギャップを前記円弧状軌道の外側方向に向けて広げていることを特徴とする分析電磁石。
前記３以上の奇数の部分磁極の内の少なくとも一つの部分磁極のギャップを、複数段階に分けて広げている請求項１または２記載の分析電磁石。
前記磁極の分割数が３である請求項１、２または３記載の分析電磁石。