イオンビーム発生装置、イオンビーム発生方法および機能素子の製造方法
【課題】 特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力する。
【解決手段】 イオンビーム発生装置２０は、イオン源１と、イオンビーム引出手段１０と、イオンビームの質量分離機２への入射位置が外径側であるほど、イオンビームの軌道半径が大きくなるようにイオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段５、６を有する質量分離機２と、質量分離機２の出口部２ａにおいて特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材７とを備えている。
【解決手段】 イオンビーム発生装置２０は、イオン源１と、イオンビーム引出手段１０と、イオンビームの質量分離機２への入射位置が外径側であるほど、イオンビームの軌道半径が大きくなるようにイオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段５、６を有する質量分離機２と、質量分離機２の出口部２ａにおいて特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材７とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力可能とするイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法および、このイオンビーム発生装置を用いて機能素子を製造する機能素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示素子などの半導体デバイスの製造工程においては、所定の導電型の半導体領域を形成するために、半導体に対してイオン注入（イオンドーピング）処理が施されている。なお、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャンネル部などを形成する際には、特に、高い精度のイオン注入（イオンドーピング）処理が必要である。
【０００３】
このイオン注入（イオンドーピング）工程では、半導体領域に対して特定のイオン種を高精度に注入するという従来からの要求に加えて、さらに、近年では、大面積の基板に対するイオン注入処理が要求されてきている。したがって、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することを可能とするイオンビーム発生装置が切望されている。
【０００４】
この要求に答える従来のイオンビーム発生装置として、特許文献１には、特定のイオン種からなる縦長のイオンビーム束を出力することを可能とする装置が開示されている。これを図２２に示している。
【０００５】
図２２は、特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置の基本構成例を模式的に示す要部断面図である。
【０００６】
図２２において、従来のイオンビーム発生装置１００は、イオン源１０１と、質量分離機１０２と、スリット板１０７とを有している。
【０００７】
イオン源１０１からは、複数種のイオンからなる第１イオンビーム束Ｉａが出力される。第１イオンビーム束Ｉａは、紙面に対して垂直な方向（以下、ｙ方向とする）、および、図中のｘ方向に幅を有する長方形断面のビーム束であり、特に、ｙ方向に縦長のビーム束である。なお、上記ｙ方向は後述する磁場（磁束密度）Ｂｙの方向であって、ｘ方向はイオンビーム束の断面においてｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に垂直な方向である。
【０００８】
質量分離機１０２では、磁場作用によって、第１イオンビーム束Ｉａに含まれる複数種のイオンの軌道が、それぞれ、そのイオンの質量に応じた半径で湾曲される。
【０００９】
スリット板１０７では、質量分離機１０２によって軌道が湾曲されたイオンのうち、長穴１０８を通過可能な特定質量のイオンのイオンビームのみが取り出され、第３イオンビーム束Ｉｃとして出力される。
【００１０】
スリット板１０７の長穴１０８から出力された第３イオンビーム束Ｉｃは、被処理物１０９に照射されてイオン注入処理が行なわれる。
【００１１】
上記質量分離機１０２は、主として、ヨーク１０４、内側コイル１０５および外側コイル１０６によって構成されている。
【００１２】
ヨーク１０４は、図２２の紙面に対して垂直な方向（ｙ方向）から見た側面が、扇形状をなしている（以下、扇形の径方向をｒ方向とする）。また、このヨーク１０４を、扇形状の湾曲に沿った方向（ｒｙ面に直交する方向で、以下、ｚ方向とする）から見た断面形状は、図２３に示すように、中央部に開口部１０４ｅを有するロ字型となっている。
【００１３】
図２３は、ｚ方向の下流側から上流側に向けてロ字型ヨーク１０４を見たときの断面図であって、図２２の質量分離機１０２をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【００１４】
図２３において、ロ字型ヨーク１０４の内側ヨーク部１０４ｄには内側コイル１０５が、また、外側ヨーク部１０４ｂには外側コイル１０６が、それぞれ巻回されている。なお、イオンビームは、開口部１０４ｅ内に設けられた真空ケース１０３の内部空間１０３ｅを通過する。
【００１５】
上記内側コイル１０５および外側コイル１０６にはそれぞれ、図２３中に矢印ｖｉおよびｖｏで示す方向に磁場が生成されるように電流が流されている。双方の内側コイル１０５および外側コイル１０６によって生成される磁場の反発作用により、開口部１０４ｅ内（真空ケース１０３内の内部空間１０３ｅ）に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。この磁場Ｂｙの作用により、開口部１０４ｅ内（真空ケース１０３内）を進行するイオンの軌道が、略ｚ方向に沿って湾曲させられる。
【００１６】
上記従来の構成によれば、ロ字型ヨーク１０４を用いると共に、双方の内側コイル１０５および外側コイル１０６による磁場の反発作用を利用することにより、開口部１０４ｅのｙ方向の幅、即ち、磁極間のギャップが広くても、ｙ方向に均一な磁場（∂Ｂｙ／∂ｙ≒０）を効率よく形成することができる。
【００１７】
この結果、ｙ方向に縦長のイオンビーム束であっても一様に湾曲させることが可能となり、ｙ方向に縦長の第１イオンビーム束Ｉａに対しても高精度な質量分離を行うことができる。これにより、特定のイオン種からなる縦長のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力することが可能となる。
【００１８】
なお、上記特許文献１には、上記作用がより顕著なものとなるように、内側コイル１０５と外側コイル１０６のそれぞれを、さらに、複数のコイルに分割した構成が記載されている。
【００１９】
さらに、上記特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置１００の構成によれば、内側コイル１０５と外側コイル１０６とがそれぞれ独立して設けられているため、これらのコイルに流す電流を調整することによって、ｒ方向（質量分離機１０２の径方向ｒ）に磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を付与することができる。この結果、第１イオンビーム束Ｉａにおけるｘ方向の幅を維持したまま、収束発散させずに、平行なイオンビーム束として第３イオンビーム束Ｉｃを出力することが可能である。
【００２０】
なお、特許文献２には空芯ソレノイドの構成例が開示され、特許文献３には、イオンビーム中に接続用導体を形成する構成例が開示されている。これは詳細に後述する実施形態で引用する。
【特許文献１】特許第３４４９１９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２５５７号公報
【特許文献３】特開２００２−２０３８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
図２２および図２３で前述したように、上記特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置１００によれば、特定のイオン種からなり、ｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に縦長のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力することが可能である。
【００２２】
しかしながら、この従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角方向）の幅を広げることができないという課題があった。
【００２３】
即ち、従来のイオンビーム発生装置１００において、十分な質量分離精度（イオン種分離精度）を確保し、かつ、イオンビーム束のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角方向）の幅を広げようとすると、質量分離精度の確保ためにスリット板１０７の長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを狭くする必要があり、また、スリット板１０７を通過した後のイオンビーム束の幅を広げるために、スリット板１０７と被処理物１０９との間の距離を大きく取る必要がある。これらを実現することが困難であるため、従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角の方向）の幅を十分に広げることができなかった。この課題について、以下のように詳述する。
【００２４】
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）はそれぞれ、長穴幅Ｗｏｕｔを種々変化させて、磁場強度（磁束密度）Ｂｙと、スリット板１０７から出力される第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【００２５】
本シミュレーションでは、イオン源１０１から出力される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が、それぞれ等量含まれているものとしている。
【００２６】
図２４では、第１イオンによるビーム電流（Ｉｃ１）を点線で、また、第２イオンによるビーム電流（Ｉｃ２）を一点鎖線でそれぞれ示している。さらに、第１イオンと第２イオンのビーム電流の和（Ｉｃｔ＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、即ち、第３イオンビーム束Ｉｃの総ビーム電流は実線で示している。
【００２７】
なお、実際には、それぞれのイオンによる個別のビーム電流（Ｉｃ１、Ｉｃ２）を測定することはできず、測定可能であるのは、これらの和である第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流（Ｉｃｔ）のみである。
【００２８】
試算条件については、質量分離機１０２（ヨーク１０４）の中心角を９０°とし、また、真空ケース１０３の径方向（ｒ方向）の幅Ｗｉｎを、その中心（ｒ＝ｒｃ）における半径の値の約７０％（Ｗｉｎ≒ｒｃ×０．７）とした。さらに、スリット板１０７は、質量分離機１０２の出口部１０２ａに密着しているものとした。
【００２９】
図２４（ａ）は、スリット板１０７の長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを、真空ケース１０３の幅Ｗｉｎに対して１／４倍、図２４（ｂ）は１／２倍、図２４（ｃ）は１／１倍として、ビーム電流をそれぞれ計算した結果を示している。
【００３０】
なお、図２４の各図の縦軸はビーム電流の相対値を示しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てが長穴１０８を通過した場合の値を「１」としている。また、図２４の各図の横軸については、磁場強度（磁束密度）Ｂｙを任意スケールで示している。
【００３１】
図２４（ａ）→図２４（ｂ）→図２４（ｃ）に示すように、長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを順次広げていくと、第１イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ２）との重複部分が大きくなり、両者の分離が困難になってくることが分かる。
【００３２】
長穴１０８の幅Ｗｏｕｔが広い場合、例えば図２４（ｃ）に示すようにＷｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１の場合には、第１イオンを全く含まず、かつ、第２イオンを多く含むようにして、第２イオンのみを効果的に抽出しようとすると、磁場（磁束密度）Ｂｙを図中のＢｙ１〜Ｂｙ２の範囲に設定する必要がある。
【００３３】
しかしながら、この磁場範囲は、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）において、ピークなどの特徴点とならないため、検出することができない。これは、第１イオンビームと第２イオンビームの双方のビーム電流カーブの重複部分でピークが生じてしまう結果であり、質量分離（イオン種分離）の精度が不十分であることを意味している。
【００３４】
このように、長穴幅Ｗｏｕｔが広い場合には、第２イオンのみを効果的に抽出するための適切な磁場設定を行うことができず、さらに、このために誤った磁場設定を行ってしまう可能性も高い。
【００３５】
例えば、第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流Ｉｃｔがピークとなる値に磁場（磁束密度）Ｂｙを設定した場合（Ｂｙ＝Ｂｙｍａｘ）には、第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態となる。この状態は、図２５に示すイオンビームの軌跡を参照すると、より理解が容易になる。
【００３６】
図２５は、図２２のイオンビーム発生装置１００において第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。ここでは、第１イオンの軌跡を点線で示し、第２イオンの軌跡を実線で示している。
【００３７】
図２５に示すように、長穴幅Ｗｏｕｔが広い場合には、第２イオンによるイオンビーム束Ｉｃ２に併せて、第１イオンによるイオンビーム束Ｉｃ１もスリット板１０７から出力されてしまう。したがって、十分な質量分離（イオン種分離）精度を確保しようとすると、スリット板１０７の長穴幅Ｗｏｕｔを狭くせざるを得ない。
【００３８】
上記のように、図２２および図２３に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、十分な質量分離精度を確保するために、長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを狭くする必要がある。このため、イオンビーム束のｘ方向（磁場Ｂｙに対して垂直な方向）の幅を広げることが困難である。即ち、幅広のイオンビーム束を得ようとすると、長穴１０８の位置でビーム束を収束させると共に、その後の発散によりビーム束の幅を広げる必要がある。
【００３９】
しかしながら、長穴１０８の幅を狭くした場合には、長穴１０８通過後のビーム束の広がり角も小さくなるため、長穴１０８（スリット板１０７）と被処理物１０９との間の距離を大きく取らなければ、ビーム束の幅を広げることができない。また、所定幅のビーム束を得るためには、この長穴１０８（スリット板１０７）と被処理物１０９との間の距離を厳格に管理する必要がある。さらに、長穴１０８の幅を狭くし過ぎると、所望のイオンも長穴１０８を通過することができなくなり、ビーム電流が低下する虞れがある。
【００４０】
したがって、幅広ビーム束を得るための上記設定は実現が困難であり、図２２および図２３に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して垂直な方向）の幅を広げることができなかった。
【００４１】
一方、単純にイオンビーム束の幅を広げるためには、ｒ方向（質量分離機１０２の径方向）に磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を付与することにより、イオンビーム束を収束発散させないようにして、幅広の平行ビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を得ることも可能である。
【００４２】
しかしながら、この手法を用いた場合には、幅広の平行なビーム束を得ることはできても、十分な質量分離精度（イオン種の分離精度）を確保することができない。この課題について、以下に詳述する。
【００４３】
図２６（ａ）は、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１におけるビーム電流カーブについて、磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、図２６（ｂ）は、磁場勾配を付与しない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００４４】
なお、図２６（ａ）は、下記（式Ａ）で表される磁場Ｂｙ（ｒ）によって磁場勾配を付与した結果を示しており、図２６の各図の横軸は、真空ケース１０３の径方向中心の磁場Ｂｙ（ｒｃ）を任意スケールで表している。また、図２６の各図の縦軸は、図２４の場合と同様に、ビーム電流の相対値を示しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てが長穴１０８を通過した場合の値を「１」としている。
【００４５】
Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式Ａ）
上記（式Ａ）において、ｒは質量分離機１０２における曲率の中心を原点（ｒ＝０）とする径方向座標であり、ｒｃは真空ケース１０３における径方向中心のｒ座標である。
【００４６】
図２６の各図を比較すると、磁場勾配を付与しても、第１イオンのカーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのカーブ（Ｉｃ２）との重複部分が少なくならないことが分かる。即ち、図２６（ａ）に示すように磁場勾配を付与した場合には、図２７に示すように幅広の平行なビーム束を得ることはできるが、質量分離精度（イオン種の分離精度）は特に改善されない。
【００４７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、特定のイオン種からなり、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広で大面積のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力できるイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法、およびこのイオンビーム発生装置を用いて作製する機能素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４８】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４９】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機は、内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５０】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるケーシング部材は前記質量分離機の出口部と連接しており、前記イオンビームの進行方向における該ケーシング部材の直線状の内壁面の長さＬは、該質量分離機の出口部の、前記内径側から外径側に向かう径方向における幅以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法である。
【００５１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置において、前記長さＬは前記幅の２倍から５倍である。
【００５２】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有し、該ビーム湾曲度変化手段は、該質量分離機の内径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、該イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、該イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５３】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置において、複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、前記質量分離機は、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な方向の前記磁場を与えて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを分離出力可能とする。
【００５４】
本発明のイオンビーム発生装置は、複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段と、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な第２方向の磁場を与えて、該イオンビーム束を構成する各イオンビームの軌道を湾曲させて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする質量分離機とを備え、該イオンビーム引出手段は、該第２方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するビーム初速勾配生成手段を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００５５】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における前記質量分離機から出力される特定種類のイオンのイオンビームは、互いに略平行な複数本のイオンビームで、該複数本のイオンビームは、前記内径側から外径側に向かう径方向における前記質量分離機の出口部の幅と等しい幅のイオンビーム束を構成している。
【００５６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って前記磁場が小さくなるように磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段である。
【００５７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、電流値×ターン数が該内側コイルよりも該外側コイルの方が小さく構成されている。
【００５８】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、該内側コイルと該外側コイルのターン数が同じで、該外側コイルに流れる電流値が該内側コイルに流れる電流値よりも小さく設定されている。
【００５９】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、該内側コイルと該外側コイルに流れる電流値が同じで、該外側コイルのターン数が該内側コイルのターン数よりも少なく設定されている。
【００６０】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、 前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、前記イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、前記イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている。
【００６１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数本の外径側導体のうちの一部の外径側導体に磁気シールドが施されて、該外径側導体の有効本数が前記内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている。
【００６２】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側導体の本数が前記内径側導体の本数よりも少なく構成されている。
【００６３】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、 前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って配置された円弧状の内径側導体を有する内径側磁気回路と、該質量分離機の外径側外周壁面に沿って配置された円弧状の外径側導体を有する外径側磁気回路とを備え、該外径側磁気回路の磁気抵抗値が該内径側磁気回路の磁気抵抗値よりも大きく構成されている。
【００６４】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路の磁路長が前記内径側磁気回路の磁路長よりも長く構成されている。
【００６５】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路の磁路断面積が前記内径側磁気回路の磁路断面積よりも小さく構成されている。
【００６６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路および前記内径側磁気回路はヨーク部材を有し、前記外径側磁気回路のヨーク部材が前記内径側磁気回路のヨーク部材よりも低透磁率の材料によって構成されている。
【００６７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とがそれぞれ１本毎に、該接続用導体を介して、該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続され、そのことによってソレノイドコイルが構成されている。
【００６８】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とが、該接続用導体→該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続されてソレノイドコイルが構成されている。
【００６９】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを接続する各接続用導体を更に有し、該外径側導体と該内径側導体とが１本ずつ該接続用導体で接続されて１ループ電流路が複数構成されている。
【００７０】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記質量分離機の前記磁場方向の両端面側にそれぞれ磁極が配置され、該質量分離機の内径側ほど前記磁場が大きくなるように構成された補助マグネットを有する。
【００７１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配を有する磁場Ｂ（ｒ）は、
Ｂ（ｒ）＝Ｂ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式１）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている。
【００７２】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心の磁場Ｂ（ｒｃ）は、
Ｂ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ／ｑ）０．５／ｒｃ ・・・ （式２）
但し、Ｖはイオン源とイオンビーム引出手段との間に印加される電圧の絶対値、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、
によって設定されている。
【００７３】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機に入射されるイオンビーム束の各イオンビームにおけるイオンの飛来速度が、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きくなるように、速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段である。
【００７４】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム初速勾配生成手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かう第１方向に垂直な方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するように構成されている。
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数の引出電極はそれぞれ、抵抗体を介して直列接続されており、抵抗分割によって前記電圧を印加する。
【００７５】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム初速勾配生成手段は、前記イオンビーム引出手段に設けられている。
【００７６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数本の引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒ）は、
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている。
【００７７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心に位置する、前記引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒｃ）は、
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂ×ｒｃ）２／（２×ｍ） ・・・ （式４）
但し、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、Ｂは磁場強度
によって設定されている。
【００７８】
また、本発明のイオンビーム発生方法は、本発明の上記イオンビーム発生装置を用いて、特定イオンの平行なイオンビームからなるイオンビーム束を出力させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００７９】
本発明の機能素子の製造方法は、本発明の上記イオンビーム発生装置を用いて不純物イオン注入が為された領域を形成する工程を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００８０】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００８１】
本発明にあっては、磁場勾配生成手段やビーム初速勾配生成手段などのビーム湾曲度変化手段によって、イオンビーム束を構成する個々のイオンビームにおける質量分離機への入射位置が内径側から外径側に向かうに従って、イオンビームの軌道半径が大きくなるように、質量分離機内でイオンビームの湾曲度を変化させる。これにより、イオンビームを収束発散させないようにして、質量分離機の出口部において、内径側から外径側に向かう方向（ｘ方向）に通常幅よりも幅広のイオンビーム束を形成することが可能となる。
また、上記のビーム湾曲度変化手段によって、特定のイオン種のイオンビームを、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとすることができ、さらに、従来のスリット板の代わりに、直線状の壁面を有するケーシング部材を用いて、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させることにより、特定の傾斜角をもつ上記特定のイオン種のイオンビームからなる幅広（ｘ方向）のイオンビーム束を出力することが可能となる。したがって、ｘ方向に幅広のイオンビーム束に対して、十分な質量分離精度を確保することができ、その結果、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【発明の効果】
【００８２】
以上により、本発明のイオンビーム発生装置によれば、質量分離機内で特定のイオン種類によるイオンビームを同心円状に湾曲させ、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとするビーム湾曲度変化手段と、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材とを設けることによって、磁場に対して垂直な方向（ｘ方向）に幅広のイオンビーム束に対しても、十分な質量分離精度を確保することができる。すなわち、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【００８３】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、ＩＣやＴＦＴ液晶素子などの半導体デバイスの製造工程において、特定のイオン種類からなる大面積のイオンビーム束によって、高精度に大面積のイオン注入処理を行うことができる。したがって、高精度のイオン注入が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部など、所定の導電型の半導体領域を容易に、かつ、高速に形成して、トランジスタなどの機能素子を作製することが可能となる。このようにして作製された機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力および高信頼性を有するデバイスとして非常に有用であり、また、大面積のイオンビームを用いて高スループットで作製されるため、非常に低コスト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８４】
以下に、本発明のイオンビーム発生装置の実施形態１〜９について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
本実施形態１は、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００の要部構成例と類似しているものの、従来のスリット板１０７に代えて、後述するケーシング部材を備えている点に特徴構成があり、このケーシング部材を設けると共に、後述する質量分離機の径方向に磁場勾配を与える磁場勾配生成手段を設けることによって、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広の特定イオン種からなる大面積イオンビーム束を出力可能としたものである。
【００８５】
図１は、本発明の実施形態１に係るイオンビーム発生装置の概略構成例を示す断面図であり、図２は、図１のその主要部である質量分離機とその周辺部の構成例を示す断面斜視図である。
【００８６】
図１および図２において、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０は、イオン源１と、イオンビーム引出手段としての引出電極１０と、ビーム湾曲度変化手段を備えた質量分離機２と、ケーシング部材７とを有している。
【００８７】
イオン源１では、放電などにより複数種のイオンが生成される。このイオン源１は、例えばアノード１ａとカソード１ｂの間で原料ガス（例えばＨ２希釈されたＢ２Ｈ６）を分解することによって、複数種のイオン（Ｂ２Ｈｘ＋、Ｂ１Ｈｘ＋、Ｈｘ＋など）が生成されるように構成されている。なお、アノード１ａとカソード１ｂの間には、効率的に原料ガスを分解できるように、電子供給用のフィラメント１ｃなどが設けられていてもよい。
【００８８】
引出電極１０は、負にバイアスされており、この引出電極１０によって、上記イオン源１で生成された複数種のイオン（Ｂ２Ｈｘ＋、Ｂ１Ｈｘ＋、Ｈｘ＋など）が、第１イオンビーム束Ｉａとして引き出され、後述する質量分離機２に入射される。なお、上記イオン源１と引出電極１０とを併せたものが、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００におけるイオン源１０１に相当する。
【００８９】
この引出電極１０から出力される第１イオンビーム束Ｉａは、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００の場合と同様に、図中のｘ方向、およびｙ方向（図１では、紙面に対して垂直な方向）に幅を有する長方形断面のビーム束であるが、従来技術に比べてｘ方向の幅が広く設定されている。互いに直交する上記ｘ方向およびｙ方向はそれぞれ、特許請求の範囲における第１方向および第２方向に対応している。なお、本明細書において、ｙ方向は、後述する磁場Ｂｙの方向と定義し、また、ｘ方向は、イオンビーム束の断面においてｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に垂直な方向と定義している。
【００９０】
質量分離機２では、引出電極１０によってイオン源１から引き出された第１イオンビーム束Ｉａに対してｙ方向の磁場を与え、そのことにより、第１イオンビーム束Ｉａに含まれる複数種のイオンの軌道が、それぞれ、質量および入射位置（ｘ方向の位置）に応じた半径で湾曲される。これにより、第１イオンビーム束Ｉａから分離されて、それぞれのイオン種に対応する複数のイオンビーム束（第２イオンビーム束Ｉｂ）が作られる。例えば、第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が含まれている場合には、図３に示すように、第２イオンビーム束Ｉｂ１（図３中の破線）とＩｂ２（図３中の実線）が作られる。
【００９１】
この質量分離機２は、図１および図２に示すように、ヨーク４、内側コイル５および外側コイル６によって構成されており、質量分離機２（ヨーク４）をｙ方向（第２方向）から見た側面は、扇形状をなしている。なお、この扇形の径方向（ｒ方向）は、質量分離機２の入口部２ｃにおいて、ｘ方向（第１方向）と一致している。
【００９２】
また、ヨーク４を、扇形状の湾曲に沿った方向（ｒｙ面に直交する方向、以下、ｚ方向と呼ぶ）から見た断面は、図４に示すように、中央に開口部４ｅを有するロ字型となっている。
図４は、図１の質量分離機２をｒｙ面で切断した場合の断面図であって、ｚ方向の下流側から上流側に向けて、図１の質量分離機２を見た場合の断面図である。
【００９３】
図４に示すように、このロ字型ヨーク４のうち、内径側の内側ヨーク部４ｄに内側コイル５が、また、外径側の外側ヨーク部４ｂに外側コイル６がそれぞれ巻回されている。イオンビームは、開口部４ｅ内に設けられた真空ケース３の内部空間３ｅを通過する。
【００９４】
上記内側コイル５と外側コイル６にはそれぞれ、図４中の矢印ｖｉおよびｖｏの方向に磁場が生成されるように電流が流されている。双方の内側コイル５と外側コイル６によってそれぞれ生成される各磁場の反発作用により、開口部４ｅ内（真空ケース３の内部空間３ｅ）に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。この磁場（磁束密度）Ｂｙの作用により、真空ケース３内を進行するイオンの軌道が、略ｚ方向に沿って湾曲させられる。
【００９５】
本実施形態１の質量分離機２においては、その内径側から外径側に向かうに従って、ｙ方向の磁場（磁束密度）Ｂｙが小さくなるように磁場勾配が付与されている（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）。具体的には、ターン数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が同じで、外側コイル６に流れる電流が、内側コイル５に流れる電流よりも小さく設定されている。または、コイルを流れる電流が同じで、外側コイル６のターン数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内側コイル５のターン数よりも少なく巻回されている。これらによって、ロ字型ヨーク４の開口部４ｅ内（真空ケース３の内部空間３ｅ内）に磁場勾配が付与される。なお、電流×ターン数が内側コイル５よりも外側コイル６が小さければ、その内径側から外径側に向かうに従って、ｙ方向の磁場（磁束密度）Ｂｙが小さくなるように磁場勾配が付与される。また、本実施形態１において、内側コイル５および外側コイル６は磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）に対応する。
【００９６】
上記磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を有する磁場Ｂｙ（ｒ）は、好ましくは、下記（式１）のように設定される。
【００９７】
Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） （式１）
なお、上記（式１）において、ｒは質量分離機２の径方向の座標位置であり、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としている。また、ｒ＝ｒｃは、質量分離機２においてイオンビームが通過する真空ケース３の内部空間３ｅにおける径方向中心のｒ座標を示している。
【００９８】
以上のように磁場勾配を設定することによって、図３に示すように、第２イオンビーム束Ｉｂ１およびＩｂ２を構成する個々のイオンビームＩｂ１−１、Ｉｂ１−２、Ｉｂ１−３、Ｉｂ１−４、およびＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３、Ｉｂ２−４は、内径側から外径側に向うに従って、イオンビームの軌道半径が大きくなる。
【００９９】
特に、質量分離機２においてイオンビームが通過する真空ケース３内の内部空間３ｅにおける径方向中心の磁場Ｂｙ（ｒｃ）を、
Ｂｙ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ２／ｑ）０．５／ｒｃ （式２）
となるように設定した場合には、図３に示すように、第２イオン（質量：ｍ２）によるイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４の軌道が、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径曲率および内径曲率と同心円状となる。
【０１００】
上記（式２）において、Ｖはイオン源１と引出電極１０との間に印加される電圧であり、ｍ２はイオンビーム束に図３に示すように２種類のイオンビームが含まれている場合の第２イオンの質量であり、ｑは第２イオンの電荷である。
【０１０１】
したがって、図３に示すように、これらのイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４からなる第２イオンビーム束Ｉｂ２は、質量分離機２の出口部２ａにおいて、ｚ軸に対する傾斜角が０゜の平行なビーム束となる。
【０１０２】
一方、第２イオン以外のイオン（第１イオン）によるイオンビームの軌道は、図３に示すように、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径曲率および内径曲率と同心円状とはならず、したがって、真空ケース３の壁面３ｄ，３ｂと衝突するか、または、質量分離機２の出口部２ａにおいてｚ軸に対して大きく傾斜する。
【０１０３】
即ち、図３において、第１イオンによるイオンビームＩｂ１−１およびＩｂ１−２は、真空ケース３の壁面３ｄに衝突している。また、イオンビームＩｂ１−３およびＩｂ１−４は、真空ケース３の壁面３ｄおよび３ｂと衝突していないが、質量分離機２の出口部２ａにおいてｚ軸に対して大きく傾斜している。
【０１０４】
図１および図２に示すケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａと接続して設けられており、真空ケース３の壁面３ｄに連接する内側の直線状壁面７ｄおよび、真空ケース３の壁面３ｂに連接する外側の直線状壁面７ｂを有している。
【０１０５】
直線状壁面７ｄおよび７ｂは、質量分離機２の出口部２ａにおいて、真空ケース３の壁面（曲面）３ｄおよび３ｂの接線方向（ｚ方向）に延在している。即ち、ケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて、ｚ軸に対する傾斜角が０゜のイオンビームを優先的に通過させるためのものであり、その壁面７ｄおよび７ｂに衝突せずに通過したイオンビームのみが、第３イオンビーム束Ｉｃとして出力される。
【０１０６】
図３の事例では、ケーシング部材７の壁面７ｄおよび７ｂに平行なイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４、即ち、第２イオンビーム束Ｉｂ２を構成するイオンビームは、ケーシング部材７を通過することができる。
【０１０７】
一方、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて大きく傾斜しているイオンビームＩｂ１−３およびＩｂ１−４は、ケーシング部材７の壁面７ｄと衝突するため、ケーシング部材７を通過することができない。
【０１０８】
この結果、第２イオンからなる第２イオンビーム束Ｉｂ２のみが、そのまま、第３イオンビーム束Ｉｃとしてケーシング部材７から出力される。
【０１０９】
即ち、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、スリット板１０７によりｘ方向の幅のみを制限して質量分離していたのに対して、本実施形態１では、ケーシング部材７の壁面７ｄおよび７ｂによって、さらに傾斜角にも制限を与えている。
【０１１０】
このことによって、本実施形態１では、ケーシング部材７のｘ方向の幅が広くても、十分な質量分離精度を確保することができる。これによって、特定のイオン種からなる、ｘ方向に幅広のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力すること可能となる。
【０１１１】
このように、所望のイオン種（特定質量のイオン種：第２イオン）に対して特定の傾斜角を付与するために、本実施形態１では、質量分離機２にビーム湾曲度変化手段としての磁場勾配生成手段を設け、上記磁場勾配を付与している。
【０１１２】
以上のようにして、ケーシング部材７から出力された第３イオンビーム束Ｉｃは、図１の被処理物（半導体）９上に照射され、ここにイオン注入処理が行なわれる。このイオン注入により所定の導電型とされた半導体領域を用いて、ＴＦＴなどの機能素子が作製される。
【０１１３】
なお、第３イオンビーム束Ｉｃは、図１に示すように、ケーシング部材７よりも後段に設けられた加速電極１１によって適宜に加速され、加速されたイオンビーム束が被処理物９上に照射される。
【０１１４】
但し、この場合、加速電極１１は、ケーシング部材７よりも後段に配置する必要があり、ケーシング部材７の前段に配置することは好ましくない。これは、磁場勾配により制御されているはずのイオン種毎の傾斜角が、加速電極１１による一定方向の加速によって、イオン種によらずほぼ一方向を向いてしまうからである。なお、加速電極１１は、ない場合もあり得る。
【０１１５】
次に、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０による効果について、詳細に説明する。
【０１１６】
図５は、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０における磁場強度（磁束密度）Ｂｙと第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流の関係について、従来技術と比較したシミュレーション結果を示すグラフである。
【０１１７】
図５（ａ）は、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によるシミュレーション結果であり、ケーシング部材７を設けると共に、質量分離機２の径方向に、上記（式１）で表される磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果である。なお、ｙ方向には、磁場勾配がないものとしている（∂Ｂｙ／∂ｙ＝０）。
【０１１８】
本シミュレーションでは、引出電極１０から出力される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））がそれぞれ等量含まれているものとする。
【０１１９】
第１イオンによるビーム電流（Ｉｃ１）は図５中の点線で、また、第２イオンによるビーム電流（Ｉｃ２）は一点鎖線でそれぞれ示している。さらに、第１イオンと第２イオンのビーム電流の和（Ｉｃｔ＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、即ち、第３イオンビーム束Ｉｃの総ビーム電流は実線で示している。なお、実際には、各々のイオンによる個別のビーム電流（Ｉｃ１、Ｉｃ２）を測定することはできず、測定可能であるのは、これらの和である第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流（Ｉｃｔ）のみである。
【０１２０】
試算条件については、質量分離機２（ヨーク４）の中心角を９０°とし、また、真空ケース３の径方向（ｒ方向）の幅Ｗｉｎを、その中心（ｒ＝ｒｃ）における半径の値の約７０％（Ｗｉｎ≒ｒｃ×０．７）とした。さらに、ケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａと接続しており、その幅Ｗｏｕｔは、真空ケース３の幅Ｗｉｎと同じであるとした（Ｗｏｕｔ＝Ｗｉｎ）。さらに、ケーシング部材７の長さＬは、幅Ｗｏｕｔの２．５倍とした（Ｌ＝Ｗｏｕｔ×２．５）。なお、ケーシング部材７のｚ方向（イオンビームの進行方向）の長さＬは、質量分離機２の出口部２ａの、内径側から外径側に向かう径方向における幅（Ｗｏｕｔ）以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法であればよい。より好ましくは、この長さＬはその幅Ｗｏｕｔの２倍から５倍に設定される。なお、幅Ｗｏｕｔは、Ｗｏｕｔ≦Ｗｉｎであればよく、Ｗｏｕｔ＝Ｗｉｎに限られない。
【０１２１】
一方、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、従来のイオンビーム発生装置１００によるシミュレーション結果を示している。
【０１２２】
図５（ｂ）は、磁場勾配を付与し、ケーシング部材７に替えて、これと同じ幅Ｗｏｕｔのスリット板１０７を設けた場合の結果であり、図２６（ａ）と同じグラフである。また、図５（ｃ）は、磁場勾配を付与しなかった場合（∂Ｂｙ（ｒ）／∂ｒ＝０、Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ））の結果であり、図２６（ｂ）（または図２４（ｃ））と同じグラフである。その他の試算条件は、図５（ａ）と同じである。
【０１２３】
図５（ａ）〜図５（ｃ）の各図の横軸は、真空ケース３の径方向中心の磁場（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）を任意スケールで示している。また、各図の縦軸は、ビーム電流の相対値を表しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てがケーシング部材７またはスリット板１０７を通過した場合の値を「１」としている。
【０１２４】
図５（ａ）〜図５（ｃ）を比較して、本実施形態１の場合（図５（ａ））には、第１イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ２）との重複が少なく、両者を十分に分離できることが分かる。
【０１２５】
例えば、図５（ａ）の場合に、第１イオンを全く含まず、かつ、第２イオンを多く含むようにして、第２イオンのみを効果的に抽出しようとすると、磁場（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）を図中のＢｙ＿Ｉｃ２ｍａｘに設定する必要がある。この磁場の値（Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘ）は、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）においてもピーク点となっているために、確実に検出することができる。
【０１２６】
一方、ケーシング部材７を設けない図５（ｂ）の場合や、さらに、磁場勾配を付与しない図５（ｃ）の場合には、上記最適な磁場の値Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘが、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）においてピークなどの特徴点とならないため、検出することができない。しかも、この磁場（Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘ）においては、第３イオンビーム束Ｉｃに、第２イオンだけでなく第１イオンも混在している。
【０１２７】
上記状態は、Ｂｙ（ｒｃ）＝Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘにおけるイオンビームの軌跡を、図５（ａ）〜図５（ｃ）の各々の条件について計算した結果である図６（ａ）〜（ｃ）を参照すると、より理解しやすい。
【０１２８】
即ち、本実施形態１の場合（図６（ａ））には、特定イオン（第２イオン）によるイオンビーム束Ｉｂ２のみが、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて、ｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広のイオンビーム束となり、さらに、ケーシング部材７が、この傾斜角が０゜の平行ビーム束を優先的に通過させている。このようにして、特定イオン（第２イオン）のみによるイオンビーム束Ｉｃ２を出力できる。したがって、ケーシング部材７の幅Ｗｏｕｔが広くても、特定イオン（第２イオン）のみによるイオンビーム束Ｉｃ２を出力できる。
【０１２９】
一方、ケーシング部材７を設けない場合（図６（ｂ））や、さらに、磁場勾配を付与しない場合（図６（ｃ））には、所望イオン（第２イオン）によるイオンビーム束Ｉｂ２と併せて、第１イオンによるイオンビーム束Ｉｂ１の一部もスリット１０７から出力されてしまう。したがって、これらの場合には、スリット板１０７の幅Ｗｏｕｔを狭くせざるを得ず、その結果、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広のイオンビーム束を出力することができない。
【０１３０】
以上のように、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によれば、内側コイル５と外側コイル６とを含むビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段）と、ケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１３１】
磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）では、特定のイオン種によるイオンビームを同心円状に湾曲させて、これらのイオンビームが、質量分離機２の出口部２ａにおいて、ｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広ビーム束となるようにしている。また、ケーシング部材７では、この傾斜角が０゜である、特定のイオン種によるビーム束を、優先的に通過させるようにしている。即ち、スリット板によって幅（イオンビームの通過位置）のみを制限して質量分離を行っていた従来技術に対して、さらにイオンビームの傾斜角にも制限を与えて質量分離を行っている。これにより、ケーシング部材７のｘ方向（磁場に対して垂直な方向）の幅がより広くても、十分な質量分離精度を確保することが可能となる。
【０１３２】
このように、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によれば、質量分離機２の径方向に磁場勾配を付与すると共に、ケーシング部材７を設けることにより、従来技術の課題であった、特定のイオン種からなり、ｘ方向（磁場に対して直角方向）に幅広のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１３３】
なお、本実施形態１では、質量分離機２の出口部２ａにおいて，ｚ方向に対して傾斜角が０゜となるイオンビーム束を優先的に通過させるために、ケーシング部材７の直線状壁面７ｄおよび７ｂをｚ方向と平行にしている。
【０１３４】
しかしながら、このケーシング部材７は、質量分離機２の出口部２ａにおいて、特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるものであればよく、ｚ方向に対して傾斜角を有するビーム束を優先的に通過させたい場合には、これに応じて、直線状壁面７ｄおよび７ｂを傾斜させればよい。
【０１３５】
また、上記では、最も好ましい例として、（式１）のような磁場勾配を付与する場合について本実施形態の効果を説明したが、内径側から外径側に向かうに従って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配であればよく、また、必ずしも、内径側から外径側に向かって連続的に磁場が変化するものでなくてもよい。要は、質量分離機の内径側から外径側に向かってイオンビームの軌道半径を大きくできるものであればよい。但し、（式１）とは異なる磁場勾配の場合には、厳密にはイオンビームが同心円状に湾曲せず、質量分離機の出口部でのイオンビームの平行性は若干崩れる。
【０１３６】
また、本実施形態１では、質量分離機２が扇形状である場合について説明したが、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。
【０１３７】
上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０では、内側コイル５と外側コイル６とからなるビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段）、およびケーシング部材７を主要構成要素として、これらの双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力できるようにしている。
【０１３８】
上記主要２構成要素のうち、ビーム湾曲度変化手段については、種々の形態を採用することが可能であり、以下の本発明の実施形態２〜９では、本実施形態１とは異なる形態のビーム湾曲度変化手段を採用している。
【０１３９】
なお、以下の各実施形態２〜９において、ビーム湾曲度変化手段以外の構成は、本実施形態１の場合と同様である。したがって、各実施形態２〜９においてビーム湾曲度変化手段が、本実施形態１の場合と同様の作用効果を奏するものであれば、本実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
（実施形態２）
上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０では、質量分離機２（真空ケース３）の径方向に磁場勾配を付与するために、２組のコイル（内側コイル５、外側コイル６）とヨーク４を用いたが、イオンビーム発生装置の構成を簡略化、および軽量化するためには、１組のコイルで、かつ、ヨークを用いずに、上記実施形態１と同等の効果を達成することが好ましい。本実施形態２では、簡略、かつ、軽量な構成で上記実施形態１と同等の効果を得ることが可能なイオンビーム発生装置について説明する。
【０１４０】
図７は、本発明の実施形態２に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述する質量分離機２０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０１４１】
図７において、本実施形態２のイオンビーム発生装置２００は、図１および図２に示すイオンビーム発生装置２０の質量分離機２に代えて、空芯ソレノイド型の質量分離機２０２を備えている。その他の構成については、上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。なお、本実施形態２の空芯ソレノイドの構造は、特許文献２に開示されている構造を一部応用したものである。
【０１４２】
図７に示すように、本実施形態２の質量分離機２０２は、イオンビームが通過する真空ケース２０３と、ソレノイドコイル２０５とによって構成されている。
【０１４３】
真空ケース２０３は、上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０の真空ケース３と同様のものであるが、その外径側曲面２０３ｂおよび内径側曲面２０３ｄに接して、ソレノイドコイル２０５が配置されている。なお、図中の２０３ｈおよび７ｈは、それぞれ、真空ケース２０３およびケーシング部材７のｙ方向（第２方向）の端面を示している。
【０１４４】
ソレノイドコイル２０５は、大別すると、４つの導体グループ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃおよび２０５ｄから構成されている。
【０１４５】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ｂは、真空ケース２０３の外径側曲面２０３ｂに沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されて構成されている。
【０１４６】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ｄは、真空ケース２０３の内径側曲面２０３ｄに沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されて構成されている。
【０１４７】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ａおよび２０５ｃはそれぞれ、質量分離機２０２の出口部２０２ａおよび入口部２０２ｃにおいて、外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−２、・・・と、内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、・・・とを接続する接続用導体グループである。なお、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃは、ソレノイドコイル２０５がイオンビームの通路を遮らないように、真空ケース２０３の入口部および出口部を避けて、真空ケース２０３の外部に配置されている。
【０１４８】
図８は、図７のソレノイドコイル２０５の接続状態を説明するための模式図である。
【０１４９】
図８に示すように、導体グループ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃおよび２０５ｄを構成する各導体は、（接続用導体２０５ａ−１）→（外径側導体２０５ｂ−１）→（接続用導体２０５ｃ−１）→（内径側導体２０５ｄ−１）→（接続用導体２０５ａ−２）→（外径側導体２０５ｂ−２）・・・というように、外径側導体と内径側導体とが接続用導体によって順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル２０５を構成している。この空芯ソレノイドコイル２０５によって、真空ケース２０３内に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。
【０１５０】
しかしながら、上記構成のみでは、空芯ソレノイドコイル２０５による磁場が形成されても、磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することはできない。
【０１５１】
そこで、本実施形態２では、外径側導体グループ２０５ｂを構成する一部の導体、図７および図８の事例では、外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・に対して磁気シールドが施されている。
【０１５２】
具体的には、磁気シールドされるべき外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・の各々の周囲が、それぞれ、外径側磁気シールド管２１５ｂ−２、２１５ｂ−４、２１５ｂ−６、・・・（以下では、総称して、外径側磁気シールド管２１５ｂと呼ぶこともある）によって覆われている。なお、外径側磁気シールド管２１５ｂには、鉄などの高透磁率材料が用いられる。
【０１５３】
この構成によって、外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・から生成される各々の磁場は、それぞれ、外径側磁気シールド管２１５ｂ−２、２１５ｂ−４、２１５ｂ−６、・・・によってシールドされるため、真空ケース２０３の中には侵入してこず、磁場Ｂｙの形成には寄与しない。
【０１５４】
一方、それ以外の外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−３、２０５ｂ−５、・・、および内径側導体グループ２０５ｄを構成する全ての導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、２０５ｄ−３、・・・に対しては磁気シールドが施されておらず、これらの導体は、磁場Ｂｙの形成に寄与している。
【０１５５】
上記構成により、全ての内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、２０５ｄ−３、・・・が磁場Ｂｙの形成に寄与する一方で、外径側導体グループ２０５ｂについては、磁気シールドされていない外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−３、２０５ｂ−５、・・・のみが磁場Ｂｙの形成に寄与することになる。
【０１５６】
したがって、一続きのソレノイドコイル２０５でありながらも、外径側導体グループ２０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ２０５ｄの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくすることができる。その結果、上記実施形態１の場合と同様に、質量分離機２０２の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することができる。
【０１５７】
なお、本実施形態２において、磁場勾配を付与する外径側導体グループ２０５ｂと内径側導体グループ２０５ｄは、特許請求の範囲における磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）に対応する。
【０１５８】
以上のように、本実施形態２においても、質量分離機２０２の径方向に磁場勾配を付与することができるため、上記実施形態１と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１５９】
しかも、本実施形態２ではコイルは１組のみであり、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置２００として、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１６０】
なお、本実施形態２において、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃによる磁場が問題となるような場合には、図９に示すように、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃに対しても、接続部磁気シールド管２１６によって、適宜、磁気シールドを施して磁場による影響を防ぐことができる。
【０１６１】
また、本実施形態２では、質量分離機２０２が扇形状である場合について説明したが、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体２０５ｂおよび内径側導体２０５ｄは、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態３）
上記実施形態２では、磁気シールド管２１５ｂを用いることによって、外径側導体グループ２０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ２０５ｄの有効本数よりも少なくする場合について説明したが、本実施形態３では、このような磁気シールド管２１５ｂを用いずに、接続用導体の引回しの工夫によって、外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を内径側導体の本数より少なくすることにより、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与する場合について説明する。
【０１６２】
図１０は、本発明の実施形態３に係るイオンビーム発生装置において、ソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【０１６３】
図１０において、本実施形態３のイオンビーム発生装置３００は、図７〜図９に示すイオンビーム発生装置２００のソレノイドコイル２０５に代えて、ソレノイドコイル３０５を用いている。その他の構成については、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０１６４】
図１０に示すように、本実施形態のソレノイドコイル３０５は、５つの導体グループ３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄおよび３０５ｆによって構成されている。
【０１６５】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体３０５ｂ−１、３０５ｂ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１６６】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｄは、図示しない真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体３０５ｄ−１、３０５ｄ−２、３０５ｄ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１６７】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ａおよび３０５ｃはそれぞれ、図示しない質量分離機の出口部および入口部において、外径側導体３０５ｂ−１、３０５ｂ−３、・・・と、内径側導体３０５ｄ−１、３０５ｄ−２、３０５ｄ−３、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０１６８】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｆは、外径側導体を介さずに内径側導体同士を接続する第２接続用導体グループである。これによって、一続きのソレノイドコイル３０５でありながらも、外径側導体グループ３０５ｂの本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ３０５ｄの本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくしている。
【０１６９】
このように、本実施形態３では、外径側導体グループ３０５ｂを構成する外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内径側導体グループ３０５ｄを構成する内径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくする点を特徴構成としている。
【０１７０】
したがって、ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄおよび３０５ｆを構成する各導体は、図１０に示すように、（第１接続用導体３０５ａ−１）→（外径側導体３０５ｂ−１）→（第１接続用導体３０５ｃ−１）→（内径側導体３０５ｄ−１）→（第２接続用導体３０５ｆ−１）→（内径側導体３０５ｄ−２）→（第１接続用導体３０５ａ−３）→（外径側導体３０５ｂ−３）→・・・というように、外径側導体と内径側導体とが第１接続用導体により、内径側導体同士が第２接続用導体により、順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル３０５が構成されている。
【０１７１】
この空芯ソレノイドコイル３０５によって、真空ケース内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、しかも、質量分離機（真空ケース）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与される。
【０１７２】
この作用効果は、空芯ソレノイドコイル３０５が、以下の２つの接続パターンで構成されていることにより得られるものである。
【０１７３】
第１接続パターンは、上記実施形態２の場合と同様に、外径側導体と内径側導体とが接続されるパターンである。この第１接続パターンでは、（第１接続用導体３０５ａ−１）→（外径側導体３０５ｂ−１）→（第１接続用導体３０５ｃ−１）→（内径側導体３０５ｄ−１）というように、外径側導体と内径側導体とが第１接続用導体により接続されている。
【０１７４】
第２接続パターンは、外径側導体グループ３０５ｂを介さずに、内径側導体同士（例えば、内径側導体３０５ｄ−１と内径側導体３０５ｄ−２）が接続されるパターンである。この第２接続パターンでは、（内径側導体３０５ｄ−１）→（第２接続用導体３０５ｆ−１）→（内径側導体３０５ｄ−２）というように、内径側導体同士が第２接続用導体により接続されている。
【０１７５】
以上のように、本実施形態３の空芯ソレノイドコイル３０５によれば、外径側導体と内径側導体を接続する第１接続パターンに加えて、内径側導体同士を接続する第２接続パターンも採用している。このため、一続きのソレノイドコイル３０５でありながらも、外径側導体グループ３０５ｂの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ３０５ｄの導体本数よりも少なくすることができる。
【０１７６】
これによって、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することが可能となり、上記実施形態１，２の場合と同様に、ケーシング部材７の作用効果と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１７７】
しかも、コイルは１組のみで、また、上記実施形態１のようにヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置３００として、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１７８】
さらに、外径側導体グループ３０５ｂの導体本数を、実体として内径側導体グループ３０５ｄの導体本数よりも少なくすることができるため、上記実施形態２のように、外径側導体の有効本数を内径側導体の有効本数よりも少なくするために、外径側導体に対して磁気シールドを施す必要がなくなる。このため、イオンビーム発生装置の構成を、更により簡略なものとすることができる。
【０１７９】
なお、本実施形態３においても、必要に応じて、第１接続用導体グループ３０５ａ、３０５ｃ、および第２接続用導体グループ３０５ｆに対して、適宜に磁気シールドを施して不要な磁場の影響を防止するようにしてもよい。
また、本実施形態３の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態４）
上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００では、ソレノイドコイル２０５がイオンビームの通路を遮らないように、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃを真空ケース２０３の外部に配置したが、接続用導体グループの配置は、上記構成には限らず、特許文献３に開示されている構造を一部応用して、接続用導体グループをイオンビームの通路中に配置することも可能であり、本実施形態４では、この場合について説明する。
【０１８０】
図１１は、本発明の実施形態４に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述の質量分離機４０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０１８１】
図１１において、本実施形態のイオンビーム発生装置４００は、図７および図８に示すイオンビーム発生装置２００において真空ケース２０３の外部に配置されていた接続用導体を、イオンビームの通路中に設けたものである。その他の構成は、実施形態２と同様であるので、図示と説明を省略する。
【０１８２】
図１１に示すように、本実施形態４の質量分離機４０２は、イオンビームが通過する真空ケース４０３とソレノイドコイル４０５とによって構成されている。なお、真空ケース４０３そのものは、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の真空ケース２０３と同様のものである。
【０１８３】
ソレノイドコイル４０５は、４つの導体グループ４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃおよび４０５ｄによって構成されている。
【０１８４】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ｂは、真空ケース４０３の外径側曲面４０３ｂに沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体４０５ｂ−１、４０５ｂ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１８５】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ｄは、真空ケース４０３の内径側曲面４０３ｄに沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体４０５ｄ−１、４０５ｄ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１８６】
上記外径側導体グループ４０５ｂおよび内径側導体グループ４０５ｄは、上記実施形態２の導体グループ２０５ｂおよび２０５ｄと同じものであり、外径側導体グループ４０５ｂを構成する一部の導体（図１１および図１２の事例では、外径側導体４０５ｂ−２、４０５ｂ−４、４０５ｂ−６、・・・）には、磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・によって磁気シールドが施されている。
【０１８７】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ａおよび４０５ｃはそれぞれ、質量分離機４０２の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃにおいて、外径側導体４０５ｂ−１、４０５ｂ−２、・・・と、内径側導体４０５ｄ−１、４０５ｄ−２、・・・とを接続する接続用導体グループである。
【０１８８】
接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃは、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃに面してスリット状に配置されており、この構成が上記実施形態２とは異なる点である。
【０１８９】
なお、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃを構成する各導体４０５ａ−１、４０５ａ−２、・・・および４０５ｃ−１、４０５ｃ−２、・・・には、イオンビームの影響を受けずに電流を流せるように、静電シールドが施されている。
【０１９０】
具体的には、接続用導体４０５ａ−１、４０５ａ−２、・・・および４０５ｃ−１、４０５ｃ−２、・・・の各々の周囲が、空間または絶縁物を介して、接続部静電シールド管４１７ａ−１、４１７ａ−２、・・・および４１７ｃ−１、４１７ｃ−２、・・・（以下では、総称して、接続部静電シールド管４１７と呼ぶこともある）によって覆われている。接続部静電シールド管４１７には、ステンレスなどの導電性材料が用いられている。
【０１９１】
本実施形態４においては、導体グループ４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃおよび４０５ｄを構成する各導体が、図１２に示すように、（接続用導体４０５ａ−１）→（外径側導体４０５ｂ−１）→（接続用導体４０５ｃ−１）→（内径側導体４０５ｄ−１）→（接続用導体４０５ａ−２）→（外径側導体４０５ｂ−２）…というように、内径側導体と外径側導体とが接続用導体により順次連続的に接続されて、螺旋状の空芯ソレノイドコイル４０５が構成されている。
【０１９２】
この空芯ソレノイドコイル４０５によって、真空ケース４０３内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、また、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０１９３】
なお、磁場勾配の付与方法は、上記実施形態２と同様であり、一部の外径側導体に磁気シールドを施すことによって、外径側導体グループ４０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ４０５ｄの有効本数よりも少なくしている。
【０１９４】
以上のように、本実施形態４によれば、質量分離機４０２の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態２の場合と同様に、ケーシング部材７の作用効果と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。しかも、コイルは１組のみで、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置を、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１９５】
さらに、本実施形態４においては、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃに面して、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃを配置しているため、これらの接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃも磁場Ｂｙの形成に寄与させることができる。
【０１９６】
その結果、ｚ方向（質量分離機４０２の周方向）における磁場Ｂｙの均一性が高まり、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００よりも、さらに、質量分離精度（イオン種分離精度）の向上を図ることができる。
【０１９７】
さらに、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃの引き回しの距離が上記実施形態２の場合によりも短くなるため、ソレノイドコイル４０５の抵抗も小さくなると共に、ソレノイドコイル４０５を形成するための配線を容易に引き回すことが可能となる。
なお、本実施形態４の質量分離機４０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
【０１９８】
なお、ここで、本実施形態４の変形例について説明する。
【０１９９】
本実施形態４のイオンビーム発生装置４００では、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の入口部４０２ｃおよび出口部４０２ａに面して、接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａを配置している。
【０２００】
このため、質量分離機４０２の入口部４０２ｃよりも前段、および出口部４０２ａよりも後段が、ソレノイドコイル４０５の外部に位置することになり、これらの領域では、微小ながらも真空ケース４０３の内部とは逆向きの磁場が形成されている。この逆向きの磁場は、質量分離機４０２に入射されるイオンビーム束や、出力されるイオンビーム束を傾斜させてしまう虞がある。
【０２０１】
このような問題に対処するためには、接続用導体グループ４０５ｃの前段、および接続用導体グループ４０５ａの後段に、磁気シールド手段を設けておけばよい。
【０２０２】
例えば、図１３に示すように、接続用導体グループ４０５ｃの前段、および接続用導体グループ４０５ａの後段に、スリット状の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを配置することができる。
【０２０３】
スリット状磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａは、複数の磁気シールド棒４１８ｃ−１、４１８ｃ−２、・・・および４１８ａ−１、４１８ａ−２、・・・からなり、各々の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａは、接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａの各導体と対向して配置されている。
【０２０４】
この構成によれば、質量分離機４０２の入口部４０２ｃよりも前段、および出口部４０２ａよりも後段における磁場が、各磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを通るため、スリット状の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａのスリット間を通過するイオンビームには、不要な磁場が作用しなくなる。その結果、質量分離機４０２に入射されるイオンビーム束や、出力されるイオンビーム束が傾斜するような問題を防止することができる。
【０２０５】
なお、スリット状磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを構成する各磁気シールド棒４１８ｃ−１、４１８ｃ−２、・・・および４１８ａ−１、４１８ａ−２、・・・には、静電シールドが施されていることが好ましく、この場合には、各磁気シールド棒を、図示しない静電シールド管（パイプ）によって覆うことができる。
【０２０６】
さらに、磁気シールド手段の別の構成として、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００における接続部静電シールド管４１７ａおよび４１７ｃの内部に、接続用導体４０５ａおよび４０５ｃと共に、磁気シールド棒を設けるような構成としてもよい。
（実施形態５）
上記実施形態４では、磁気シールド管４１５ｂを用いることによって、外径側導体グループ４０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ４０５ｄの有効本数よりも少なくしているが、磁気シールド管４１５ｂを用いずに、接続用導体の引回しの工夫によって、外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を内径側導体の本数より少なくすることも可能であり、本実施形態５では、上記実施形態３のイオンビーム発生装置３００において用いた第２接続用導体グループ３０５ｆを、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００に適用する場合について説明する。
【０２０７】
図１４は、本発明の実施形態５に係るイオンビーム発生装置におけるソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【０２０８】
図１４に示すように、本実施形態５のソレノイドコイル５０５は、５つの導体グループ５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄおよび５０５ｆによって構成されている。
【０２０９】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体５０５ｂ−１、５０５ｂ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０２１０】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｄは、図示しない真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体５０５ｄ−１、５０５ｄ−２、５０５ｄ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０２１１】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ａおよび５０５ｃはそれぞれ、図示しない質量分離機の出口部および入口部において、外径側導体５０５ｂ−１、５０５ｂ−３、・・・と、内径側導体５０５ｄ−１、５０５ｄ−２、５０５ｄ−３、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０２１２】
この第１接続用導体グループ５０５ａおよび５０５ｃは、上記実施形態４の接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃと同様に、質量分離機の出口部および入口部に面して、スリット状に配置されている。
【０２１３】
また、第１接続用導体５０５ａ−１、５０５ａ−３、・・・および５０５ｃ−１、５０５ｃ−３、・・・の各々の周囲が、空間または絶縁物を介して、第１接続部静電シールド管５１７ａ−１、５１７ａ−３、・・・および５１７ｃ−１、５１７ｃ−３、・・・によって覆れている。
【０２１４】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｆは、外径側導体を介さずに内径側導体同士を接続する第２接続用導体グループであり、上記実施形態３のイオンビーム発生装置３００に用いた第２接続用導体グループ３０５ｆと同様のものである。
【０２１５】
導体グループ５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄおよび５０５ｆを構成する各導体は、図１４に示すように、（第１接続用導体５０５ａ−１）→（外径側導体５０５ｂ−１）→（第１接続用導体５０５ｃ−１）→（内径側導体５０５ｄ−１）→（第２接続用導体５０５ｆ−１）→（内径側導体５０５ｄ−２）→（第１接続用導体５０５ａ−３）→（外径側導体５０５ｂ−３）→…というように、外径側導体と内径側導体が第１接続用導体により、内径側導体同士が第２接続用導体により、順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル５０５が構成されている。
【０２１６】
このような接続により、一続きのソレノイドコイル５０５でありながらも、外径側導体グループ５０５ｂの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ５０５ｄの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくすることができる。したがって、質量分離機（真空ケース）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することが可能となる。
【０２１７】
以上のように、本実施形態５によれば、外径側導体グループ５０５ｂを構成する外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内径側導体グループ５０５ｄを構成する内径側導体の本数よりも少なくなっているため、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができ、上記実施形態４の場合と同等の効果を得ることができる。
【０２１８】
さらに、本実施形態５では、外径側導体グループ５０５ｂの導体本数を、実体として内径側導体グループ５０５ｄの導体本数よりも少なくすることができる。このため、上記実施形態４のように、外径側導体の有効本数を内径側導体の有効本数よりも少なくするために、外径側導体に対して磁気シールドを施す必要がない。このため、イオンビーム発生装置の構成を、より簡略なものとすることができる。
【０２１９】
なお、本実施形態５においても、上記実施形態３の場合と同様に、第２接続用導体グループ５０５ｆに対して適宜に磁気シールドを施して、不要な磁場の影響を防止するようにしていてもよい。
また、本実施形態５の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態６）
上記実施形態４では、螺旋状のソレノイドコイル４０５によって、真空ケース４０３内にｙ方向の磁場Ｂｙを形成し、また、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の径方向に磁場勾配を付与していたが、上記磁場Ｂｙの形成は、螺旋状のソレノイドコイルに限らず、他の電流路によっても実現可能である。本実施形態６では、これについて説明する。
【０２２０】
図１５は、本発明の実施形態６に係るイオンビーム発生装置における磁場形成用電流路の構成例を示す模式図である。
【０２２１】
図１５において、本実施形態６のイオンビーム発生装置６００は、図１１および図１２のイオンビーム発生装置４００におけるソレノイドコイル４０５に代えて、磁場形成用の電流路６０５を設けたものである。その他の構成は、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２２２】
図１５に示すように、本実施形態６の電流路６０５は、６つの導体グループ６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、６０５ｇおよび６０５ｈによって構成されている。
【０２２３】
電流路６０５の導体グループ６０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・がｙ方向に複数本配置されている。
【０２２４】
電流路６０５の導体グループ６０５ｄは、真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・がｙ方向に複数本配置されている。
【０２２５】
上記外径側導体グループ６０５ｂおよび内径側導体グループ６０５ｄは、上記実施形態４の導体グループ４０５ｂおよび４０５ｄと同じものであり、外径側導体グループ６０５ｂを構成する一部の導体（図１５の事例では、外径側導体６０５ｂ−２、６０５ｂ−４、６０５ｂ−６、・・・）には、磁気シールド管６１５ｂ−２、６１５ｂ−４、６１５ｂ−６、・・・によって磁気シールドが施されている。
【０２２６】
電流路６０５の導体グループ６０５ｃは、質量分離機の入口部において、外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・と、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０２２７】
電流路６０５の導体グループ６０５ａは、質量分離機の出口部において、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・と、後述する第２配線用導体６０５ｈを接続する第３接続用導体グループである。
【０２２８】
第１接続用導体グループ６０５ｃおよび第３接続用導体グループ６０５ａは、上記実施形態４の接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａと同様に、質量分離機の出口部および入口部に面して、スリット状に配置されている。
【０２２９】
また、第３接続用導体６０５ａ−１、６０５ａ−２、・・・および第１接続用導体６０５ｃ−１、６０５ｃ−２、・・・の各々の周囲は、空間または絶縁物を介して、接続部静電シールド管６１７ａ−１、６１７ａ−２、・・・および６１７ｃ−１、６１７ｃ−２、・・・によって覆れている。
【０２３０】
電流路６０５の導体グループ６０５ｇは、外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・の各々の端部と接続された第１配線用導体である。
【０２３１】
また、電流路６０５の導体グループ６０５ｈは、第３接続用導体６０５ａ−１、６０５ａ−２、・・・の各々の端部と接続された第２配線用導体である。
【０２３２】
本実施形態６では、図１５に示すように、（第１配線用導体６０５ｇ）→（外径側導体グループ６０５ｂ）→（第１接続用導体グループ６０５ｃ）→（内径側導体グループ６０５ｄ）→（第３接続用導体グループ６０５ａ）→（第２配線用導体６０５ｈ）というように外径側導体と内径側導体とが１本ずつ接続されて、電流路６０５が構成されている。
【０２３３】
この電流路６０５において、外径側導体グループ６０５ｂを構成する各外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・は並列に接続されている。これと同様に、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・も並列に接続されている。即ち、電流路６０５は、螺旋状のソレノイドではなく、１ループ毎の電流路である。
【０２３４】
上記電流路６０５によって、図示しない真空ケース内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、また、質量分離機の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０２３５】
このような磁場勾配の付与方法は、上記実施形態４の場合と同様であり、一部の外径側導体に磁気シールドを施すことによって、外径側導体グループ６０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ６０５ｄの有効本数よりも少なくしている。
【０２３６】
以上のように、本実施形態６によれば、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。しかも、コイルは１組のみで、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置を、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０２３７】
なお、本実施形態６では、１ループ毎の電流路６０５を用いているために、第１配線用導体６０５ｇと第２配線用導体６０５ｈとの隙間で、若干の漏洩磁束が生じるが、螺旋状のソレノイドコイルを用いた場合に比べて、その配線形成が容易になる。
【０２３８】
また、本実施形態６では、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００の構成に対して、１ループ毎の電流路を適用した場合について説明したが、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の構成に対しても、同様の方法で、１ループ毎の電流路を形成することが可能である。
また、本実施形態６の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態７）
質量分離機の径方向に磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段として、上記実施形態１では内側コイル５と外側コイル６を、また、上記実施形態２〜６では、ソレノイドコイル２０５、３０５、４０５、５０５および６０５を用いていたが、このような磁場勾配の付与は、上記各実施形態１〜６のようなコイルに限らず、他の構成によっても実現可能である。本実施形態７では、これについて説明する。
【０２３９】
図１６は、本発明の実施形態７に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機７０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０２４０】
図１６において、本実施形態７のイオンビーム発生装置７００は、図１１および図１２のイオンビーム発生装置４００において、外径側導体の周囲を覆っていた磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・を取り外し、その替わりに、磁場勾配生成ヨーク７２０を設けている。その他の構成は、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２４１】
本実施形態７の質量分離機７０２は、イオンビームが通過する真空ケース７０３、ソレノイドコイル７０５および磁場勾配生成ヨーク７２０とによって構成されている。
【０２４２】
ソレノイドコイル７０５は、上記実施形態４の場合と同様に、４つの導体グループ７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃおよび７０５ｄによって構成されているが、外径側導体グループ７０５ｂを構成する各導体には、磁気シールドが施されていない。したがって、このソレノイドコイル７０５のみでは、質量分離機７０２の径方向に磁場勾配を付与することができない。
【０２４３】
そこで、本実施形態７では、磁場勾配を付与するために、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いている。
【０２４４】
磁場勾配生成ヨーク７２０は、周方向（ｚ方向）から見た断面が図１７に示すような形状をしており、大別すると、外径側ヨーク部７２０ｂと内径側ヨーク部７２０ｄとによって構成されている。
【０２４５】
外径側ヨーク部７２０ｂは、主として、質量分離機の外径側曲面に沿って配置された円弧状の外径側導体グループ７０５ｂによって生成される磁場を通過させる磁気回路となり、特許請求の範囲における外径側磁気回路に対応する。
【０２４６】
また、内径側ヨーク部７２０ｄは、主として、質量分離機の内径側曲面に沿って配置された円弧状の内径側導体グループ７０５ｄによって生成される磁場を通過させる磁気回路となり、特許請求の範囲における内径側磁気回路に対応する。
【０２４７】
ここで、外径側ヨーク部７２０ｂは、内径側ヨーク部７２０ｄに比べて磁気抵抗が大きくなるように、例えば、磁路長が長くなるように、または、磁路断面積が小さくなるように、あるいは磁路長が長くなり、かつ、磁路断面積が小さくなるように構成されている。さらに、外径側ヨーク部７２０ｂに、内径側ヨーク部７２０ｄよりも低透磁率の材料を用いるようにしてもよい。この場合には、例えば、外径側ヨーク部７２０ｂに磁性ＳＵＳ（ステンレス材）を用い、内径側ヨーク部７２０ｄに鉄を用いることもできる。
【０２４８】
上記磁場勾配生成ヨーク７２０を用いることによって、ソレノイドコイル７０５から生じるｙ方向の磁場Ｂｙに、内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することができる。
【０２４９】
以上のように、本実施形態７によれば、質量分離機７０２の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
なお、本実施形態７では、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いているために、イオンビーム発生装置７００の重量が重くなるが、外径側導体に対して磁気シールドを施すような構造が不要となるため、イオンビーム発生装置７００として、より簡略な構成とすることができる。
また、本実施形態７の質量分離機７０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態８）
上記実施形態７では、ソレノイドコイル７０５と併せて、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いることによって磁場勾配を付与したが、上記磁場勾配の形成は、磁場勾配生成ヨーク７２０に限らず、他の構成によっても実現可能である。本実施形態８では、これについて説明する。
【０２５０】
図１８は、本発明の実施形態８に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機８０２）の断面図である。
【０２５１】
図１８において、本実施形態８のイオンビーム発生装置８００は、図１６および図１７に示すイオンイオンビーム発生装置７００の磁場勾配生成ヨーク７２０に代えて、補助マグネット８５０を設けている。その他の構成は、上記実施形態７の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２５２】
図１８に示すように、本実施形態８の質量分離機８０２は、イオンビームが通過する真空ケース８０３、ソレノイドコイル８０５および補助マグネット８５０によって構成されている。
【０２５３】
ソレノイドコイル８０５は、上記実施形態７のソレノイドコイル７０５と同様であり、このソレノイドコイル８０５のみでは、質量分離機８０２の径方向に磁場勾配を付与することができない。
【０２５４】
そこで、本実施形態８では、磁場勾配を付与するために、補助マグネット８５０を設けている。
【０２５５】
補助マグネット８５０は、補助コイル８５１と補助ヨーク８５２とによって構成されている。補助ヨーク８５２は、質量分離機８０２のｙ方向側の端面に磁極８５２ｊおよび８５２ｋが設けられている。これらの磁極８５２ｊおよび８５２ｋ間のギャップは、質量分離機８０２の内径側においてｙ方向の磁場が大きくなるように、質量分離機８０２の内径側から外径側に向かって大きくなっている。真空ケース８０３は、この磁極間ギャップ内に配置されている。
【０２５６】
なお、図１８では、補助ヨーク８５２の磁極部が、外径側導体グループ８０５ｂの付近にまで伸びているが、磁極部の長さは、付与すべき磁場勾配の程度により、適宜に短くするなど調整すればよい。
【０２５７】
上記構成により、ソレノイドコイル８０５から生成される磁場と、補助マグネット８５０から生成される磁場との双方の寄与によって、真空ケース８０３内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。
【０２５８】
また、質量分離機８０２（真空ケース８０３）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０２５９】
以上のように、本実施形態８によれば、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２６０】
なお、本実施形態８においては、補助マグネット８５０を用いているために、イオンビーム発生装置の重量が重くなるが、ソレノイドコイル８０５とは別に設けられた補助コイル８５１によって、磁場勾配の程度を適宜に調整することができるため、磁場勾配設定の自由度が広がる。
（実施形態９）
上記実施形態１〜８では、ビーム湾曲度変化手段として磁場勾配生成手段を用いて、この磁場勾配生成手段によって、特定のイオン種からなるイオンビームを同心円状に湾曲させて、質量分離機の出口部側において傾斜角が０゜となる平行なイオンビーム束を形成している。このような磁場勾配生成手段とケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力できる。
【０２６１】
しかしながら、特定のイオン種からなるイオンビームを同心円状に湾曲させるビーム湾曲度変化手段は、上記磁場勾配生成手段には限らない。例えば、質量分離機に入射されるイオンの初速度が、内径側から外径側に向って大きくなるような速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段であってもよい。本実施形態９では、これについて説明する。
【０２６２】
図１９は、本発明の実施形態９に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述の質量分離機９０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０２６３】
図１９において、本実施形態９のイオンビーム発生装置９００は、図１１および図１２に示す上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００において、外径側導体の周囲を覆っていた磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・を取り外し、さらに、引出電極１０の代わりに電位勾配型引出電極９１０を設けている。その他の構成については、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２６４】
まず、本実施形態の質量分離機９０２の構成について説明する。
【０２６５】
質量分離機９０２は、イオンビームが通過する真空ケース９０３とソレノイドコイル９０５とによって構成されている。真空ケース９０３は、上記実施形態４の真空ケース４０３と同様のものである。ソレノイドコイル９０５も、上記実施形態４と同様に、４つの導体グループ９０５ａ、９０５ｂ、９０５ｃおよび９０５ｄによって構成される螺旋状の空芯ソレノイドである。
【０２６６】
但し、本実施形態９では、外径側導体グループ９０５ｂを構成する各外径側導体９０５ｂ−１、９０５ｂ−２、・・・に磁気シールドが施されていない。したがって、ソレノイドコイル９０５によって真空ケース９０３内に形成されるｙ方向の磁場Ｂｙは、質量分離機９０２の径方向に磁場勾配を持たない（∂Ｂｙ／∂ｒ＝０）。上記以外の質量分離機９０２の構成については、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その説明を省略する。
【０２６７】
次に、本実施形態９の電位勾配型引出電極９１０の構成について説明する。なお、この電位勾配型引出電極９１０は、特許請求の範囲における、ビーム初速勾配生成手段に対応する。
【０２６８】
図１９に示すように、電位勾配型引出電極９１０は、ｙ方向に延在した複数の棒状電極９１０−１、９１０−２、・・・が、ｘ方向（質量分離機９０２の入口部９０２ｃにおいては、質量分離機９０２径方向（ｒ方向）と一致する方向）に複数本並べられて、構成されている。
【０２６９】
各棒状の引出電極９１０−１、９１０−２、・・・には、ｘ方向の上方に向かうに従がって、即ち、質量分離機９０２の内径側から外径側に向かうに従って、大きな負電圧Ｖ（ｒ）が印加されるようになっている。これにより、電位勾配型引出電極９１０から引き出されるイオンビーム束を構成する個々のイオンビームに対して、ｘ方向の上方に向かうに従がって、即ち、質量分離機９０２の内径側から外径側に向かうに従って、イオンの飛来速度ｖが大きくなるように、速度勾配が付与される。
【０２７０】
上記棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・に印加される負電圧Ｖ（ｒ）は、好ましくは、下式（３）のように設定される。
【０２７１】
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
上記（式３）において、ｒは質量分離機の径方向の座標位置であり、質量分離機９０２（真空ケース９０３）の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としている。また、ｒ＝ｒｃは、質量分離機９０２においてイオンビームが通過する真空ケース９０３の内部空間９０３ｅにおける径方向中心のｒ座標を示す。さらに、負電圧Ｖ（ｒ）はイオン源１に対する電位差である。
【０２７２】
上記（式３）の電圧設定については、例えば、棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・・の各々を絶縁しておき、それぞれの棒状引出電極に対して、ｒ方向位置に応じた所定の電圧を印加すればよい。
【０２７３】
また、図２０に示すように、棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・の各々を、順次、抵抗体９１２を介して直列接続し、抵抗分割によってｒ方向位置（ｘ方向位置）に応じた所定の電圧を印加するようにしてもよい。
【０２７４】
図２１は、上記（式３）の設定を行った場合について、イオンビーム軌道のシミュレーション結果を示す図である。
【０２７５】
本シミュレーションでは、イオン源１から引き出される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が含まれるものとする。また、真空ケース９０３の径方向中心に位置する棒状引出電極に印加する電圧Ｖ（ｒｃ）は、下記（式４）のように設定する。
【０２７６】
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂｙ×ｒｃ）２／（２×ｍ２） ・・・ （式４）
上記（式４）において、Ｂｙはソレノイドコイル９０５によって生成されるｙ方向の磁束密度であり、ｍ２は第２イオンの質量であり、ｑは第２イオンの電荷である。
【０２７７】
図２１に示すように、上記（式３）および（式４）の設定により、第２イオン（質量：ｍ２）によるイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４の軌道が、質量分離機９０２の曲率と同心円状となっていることが分かる。
【０２７８】
したがって、これらのイオンビームからなる第２イオンビーム束Ｉｂ２は、質量分離機９０２の出口部９０２ａにおいて、上記実施形態１における図３の場合と同様に、ｚ軸に対する傾斜角が０゜の平行なイオンビーム束となる。
【０２７９】
以上のように、本実施形態９においても、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機９０２の内部で同心円状に湾曲させて、これらのイオンビームが、質量分離機９０２の出口部９０２ａにおいてｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広ビーム束となるようにしている。したがって、上記実施形態１〜８の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２８０】
さらに、本実施形態９のビーム湾曲度変化手段は、電位勾配型引出電極９１０を設けるだけという簡単な構成である。
【０２８１】
なお、本実施形態９の質量分離機９０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。
【０２８２】
以上により、本発明のイオンビーム発生装置は、上記実施形態１〜９で説明したように、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはビーム初速勾配生成手段）と、ケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することができるようにしている。
【０２８３】
具体的には、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはビーム初速勾配生成手段）によって、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機内で同心円状に湾曲させ、これらのイオンビームが、質量分離機の出口部において、傾斜角がｚ軸に対して０゜の平行な幅広のイオンビーム束となるようにしている。さらに、ケーシング部材７が、この傾斜角が０゜で、特定のイオン種による平行ビーム束を、優先的に通過させるようにしている。
【０２８４】
これにより、スリット板によって幅（イオンビームの通過位置）のみを制限して質量分離していた従来技術に対して、さらに、イオンビームの傾斜角にも制限を与えて質量分離を行っている。このため、本発明のイオンビーム発生装置によれば、ケーシング部材のｘ方向（磁場に対して垂直な方向）の幅が広くても、十分な質量分離精度を確保することが可能となり、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することできる。
【０２８５】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、半導体領域に対するイオン注入（イオンドーピング）を、高精度に、かつ、高速に行なうことができる。したがって、高精度のイオン注入（イオンドーピング）が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタにおける低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部などを、容易に、かつ、高速に形成することができる。
【０２８６】
このようにして作製されたトランジスタなどの機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力、および高信頼性を有するデバイスとして、非常に有用である。しかも、この機能素子は、大面積のイオンビーム束を用いて高スループットで作製することができるため、非常に低コスト化することができる。
【０２８７】
なお、上記実施形態１〜９では、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはイオンビーム初速勾配生成手段）と、ケーシング部材との双方を用いて、その相乗効果により、高精度の質量分離と大面積化の両立を図っている。
【０２８８】
しかしながら、質量分離精度よりもイオンビームの大面積化の要求の方が強いような用途に対しては、ケーシング部材７を省略することも可能である。この場合には、特に、実施形態２〜９で説明したビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはイオンビーム初速勾配生成手段）のみの利用でも、十分な効果が得られる。
【０２８９】
また、上記各実施形態１〜９では特に触れなかったが、質量分離機および磁場勾配生成手段による磁場の外部漏洩を防止する必要がある場合には、質量分離機の外周をシールド材で覆うなど、適宜に、磁気シールドを施すことが好ましい。
【０２９０】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜９を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜９に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜９の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０２９１】
本発明は、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力可能とするイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法および、このイオンビーム発生装置を用いて機能素子を製造する機能素子の製造方法の分野において、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機内で同心円状に湾曲させ、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとするビーム湾曲度変化手段と、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材とを設けることにより、磁場に対して垂直な方向（ｘ方向）に幅広のイオンビーム束に対しても、十分な質量分離精度を確保することができる。すなわち、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２９２】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、ＩＣやＴＦＴ液晶素子などの半導体デバイスの製造工程において、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束によって、高精度に大面積のイオン注入処理を行うことができる。したがって、高精度のイオン注入が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部など、所定の導電型の半導体を容易に、かつ、高速に形成して、トランジスタなどの機能素子作製することが可能となる。このようにして作製された機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力および高信頼性を有するデバイスとして非常に有用であり、また、大面積のイオンビームを用いて高スループットで作製されるため、非常に低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２９３】
【図１】本発明の実施形態１に係るイオンビーム発生装置の概略構成例を示す断面図である。
【図２】図１の質量分離機とその周辺部の構成を示す断面斜視図である。
【図３】図１のイオンビーム発生装置におけるイオンビームの軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図４】図１の質量分離機をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【図５】磁場強度（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）と第３イオンビーム束のビーム電流の関係を示すシミュレーション結果図であって、（ａ）は図１のイオンビーム発生装置、（ｂ）は磁場勾配は付与しているが、ケーシング部材を設けていない従来のイオンビーム発生装置、（ｃ）は磁場勾配を付与せず、ケーシング部材も設けていない従来のイオンビーム発生装置のシミュレーション結果図である。
【図６】イオンビームの軌跡を示すシミュレーション結果図であって、（ａ）は図１のイオンビーム発生装置、（ｂ）は磁場勾配は付与しているが、ケーシング部材を設けていない従来のイオンビーム発生装置、（ｃ）は磁場勾配を付与せず、ケーシング部材も設けていない従来のイオンビーム発生装置のシミュレーション結果図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図８】図７のソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図９】図８のソレノイドコイルとは別の構成例を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係るイオンビーム発生装置において、ソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機４０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【図１２】図１１のソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図１３】本発明の実施形態４の変形例におけるスリット状の磁気シールドを説明する模式図である。
【図１４】本発明の実施形態５に係るイオンビーム発生装置におけるソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図１５】本発明の実施形態６に係るイオンビーム発生装置における電流路の構成例を説明するための模式図である。
【図１６】本発明の実施形態７に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図１７】図１６のイオンビーム発生装置の主要部をｒｙ面で切断した断面図である。
【図１８】本発明の実施形態８に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面図である。
【図１９】本発明の実施形態９に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図２０】図１９のイオンビーム発生装置における棒状引出電極への電圧印加方法の一例を示す図である。
【図２１】図１９のイオンビーム発生装置における、イオンビームの軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２２】特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置の基本構成例を模式的に示す要部断面図である。
【図２３】図２２の質量分離機をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は、長穴幅Ｗｏｕｔを種々変化させて、磁場強度（磁束密度）Ｂｙと、スリット板から出力される第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図２５】図２２のイオンビーム発生装置において第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２６】（ａ）は、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１におけるビーム電流カーブについて、磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は、磁場勾配を付与しない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２７】図２６（ａ）に示す磁場勾配を付与した場合のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２８】図１の質量分離機の外径側壁面および内径側壁面が円弧状ではなくテーパ状をなしている場合の模式図である。
【符号の説明】
【０２９４】
１：イオン源
１ａ：アノード
１ｂ：カソード
１ｃ：電子供給用フィラメント
２、２０２、４０２、７０２、８０２、９０２：質量分離機
２ａ、２０２ａ、４０２ａ：質量分離機の出口部
２ｃ、２０２ｃ、４０２ｃ：質量分離機の入口部
３、２０３、４０３、７０３、８０３、９０３：真空ケース
３ｂ、３ｄ、２０３ｂ、２０３ｄ、４０３ｂ、４０３ｄ、９０５ｂ、９０５ｄ：真空ケースの壁面
３ｅ、９０３ｅ：真空ケースの内部
４：ヨーク
４ｂ：外側ヨーク部
４ｄ：内側ヨーク部
４ｅ：ヨーク中央の開口部
５：内側コイル
６：外側コイル
７：ケーシング部材
７ｈ：ケーシング部材のｙ方向の端面
１０：引出電極
１１：加速電極
２０、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００，９００：イオンビーム発生装置
２０３ｈ：真空ケースのｙ方向の端面
２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５：ソレノイドコイル
２０５ａ、２０５ｃ、４０５ａ、４０５ｃ、７０５ａ、７０５ｃ、９０５ａ、９０５ｃ：接続用導体グループ
２０５ｂ、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ、６０５ｂ、７０５ｂ、８０５ｂ：外径側導体グループ
２０５ｄ、３０５ｄ、４０５ｄ、５０５ｄ、６０５ｄ、７０５ｄ、８０５ｄ：内径側導体グループ
２１５ｂ、４１５ｂ、６１５ｂ：外径側磁気シールド管
２１６：接続部磁気シールド管
３０５ａ、３０５ｃ、５０５ａ、５０５ｃ、６０５ｃ：第１接続用導体グループ
３０５ｆ、５０５ｆ：第２接続用導体グループ
４１７ａ、４１７ｃ、５１７ａ、５１７ｃ、６１７ａ、６１７ｃ、７１７ａ、７１７ｃ：接続部静電シールド管
４１８ａ、４１８ｃ：スリット状磁気シールド
６０５：電流路
６０５ａ：第３接続用導体グループ
６０５ｇ：第１配線用導体
６０５ｈ：第２配線用導体
７２０：磁場勾配生成ヨーク
７２０ｂ：外径側ヨーク部
７２０ｄ：内径側ヨーク部
８５０：補助マグネット
８５１：補助コイル
８５２：補助ヨーク
８５２ｊ、８５２ｋ：磁極
９１０：電位勾配型引出電極
９１２：抵抗体
Ｉａ：第１イオンビーム束
Ｉｂ：第２イオンビーム束
Ｉｂ１：第１イオンによるイオンビーム束
Ｉｂ２：第２イオンによるイオンビーム束
Ｉｃ：第３イオンビーム束
Ｉｃ：第３イオンビーム束
Ｂｙ：ｙ方向の磁場
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力可能とするイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法および、このイオンビーム発生装置を用いて機能素子を製造する機能素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体集積回路（ＩＣ）やＴＦＴ液晶表示素子などの半導体デバイスの製造工程においては、所定の導電型の半導体領域を形成するために、半導体に対してイオン注入（イオンドーピング）処理が施されている。なお、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャンネル部などを形成する際には、特に、高い精度のイオン注入（イオンドーピング）処理が必要である。
【０００３】
このイオン注入（イオンドーピング）工程では、半導体領域に対して特定のイオン種を高精度に注入するという従来からの要求に加えて、さらに、近年では、大面積の基板に対するイオン注入処理が要求されてきている。したがって、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することを可能とするイオンビーム発生装置が切望されている。
【０００４】
この要求に答える従来のイオンビーム発生装置として、特許文献１には、特定のイオン種からなる縦長のイオンビーム束を出力することを可能とする装置が開示されている。これを図２２に示している。
【０００５】
図２２は、特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置の基本構成例を模式的に示す要部断面図である。
【０００６】
図２２において、従来のイオンビーム発生装置１００は、イオン源１０１と、質量分離機１０２と、スリット板１０７とを有している。
【０００７】
イオン源１０１からは、複数種のイオンからなる第１イオンビーム束Ｉａが出力される。第１イオンビーム束Ｉａは、紙面に対して垂直な方向（以下、ｙ方向とする）、および、図中のｘ方向に幅を有する長方形断面のビーム束であり、特に、ｙ方向に縦長のビーム束である。なお、上記ｙ方向は後述する磁場（磁束密度）Ｂｙの方向であって、ｘ方向はイオンビーム束の断面においてｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に垂直な方向である。
【０００８】
質量分離機１０２では、磁場作用によって、第１イオンビーム束Ｉａに含まれる複数種のイオンの軌道が、それぞれ、そのイオンの質量に応じた半径で湾曲される。
【０００９】
スリット板１０７では、質量分離機１０２によって軌道が湾曲されたイオンのうち、長穴１０８を通過可能な特定質量のイオンのイオンビームのみが取り出され、第３イオンビーム束Ｉｃとして出力される。
【００１０】
スリット板１０７の長穴１０８から出力された第３イオンビーム束Ｉｃは、被処理物１０９に照射されてイオン注入処理が行なわれる。
【００１１】
上記質量分離機１０２は、主として、ヨーク１０４、内側コイル１０５および外側コイル１０６によって構成されている。
【００１２】
ヨーク１０４は、図２２の紙面に対して垂直な方向（ｙ方向）から見た側面が、扇形状をなしている（以下、扇形の径方向をｒ方向とする）。また、このヨーク１０４を、扇形状の湾曲に沿った方向（ｒｙ面に直交する方向で、以下、ｚ方向とする）から見た断面形状は、図２３に示すように、中央部に開口部１０４ｅを有するロ字型となっている。
【００１３】
図２３は、ｚ方向の下流側から上流側に向けてロ字型ヨーク１０４を見たときの断面図であって、図２２の質量分離機１０２をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【００１４】
図２３において、ロ字型ヨーク１０４の内側ヨーク部１０４ｄには内側コイル１０５が、また、外側ヨーク部１０４ｂには外側コイル１０６が、それぞれ巻回されている。なお、イオンビームは、開口部１０４ｅ内に設けられた真空ケース１０３の内部空間１０３ｅを通過する。
【００１５】
上記内側コイル１０５および外側コイル１０６にはそれぞれ、図２３中に矢印ｖｉおよびｖｏで示す方向に磁場が生成されるように電流が流されている。双方の内側コイル１０５および外側コイル１０６によって生成される磁場の反発作用により、開口部１０４ｅ内（真空ケース１０３内の内部空間１０３ｅ）に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。この磁場Ｂｙの作用により、開口部１０４ｅ内（真空ケース１０３内）を進行するイオンの軌道が、略ｚ方向に沿って湾曲させられる。
【００１６】
上記従来の構成によれば、ロ字型ヨーク１０４を用いると共に、双方の内側コイル１０５および外側コイル１０６による磁場の反発作用を利用することにより、開口部１０４ｅのｙ方向の幅、即ち、磁極間のギャップが広くても、ｙ方向に均一な磁場（∂Ｂｙ／∂ｙ≒０）を効率よく形成することができる。
【００１７】
この結果、ｙ方向に縦長のイオンビーム束であっても一様に湾曲させることが可能となり、ｙ方向に縦長の第１イオンビーム束Ｉａに対しても高精度な質量分離を行うことができる。これにより、特定のイオン種からなる縦長のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力することが可能となる。
【００１８】
なお、上記特許文献１には、上記作用がより顕著なものとなるように、内側コイル１０５と外側コイル１０６のそれぞれを、さらに、複数のコイルに分割した構成が記載されている。
【００１９】
さらに、上記特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置１００の構成によれば、内側コイル１０５と外側コイル１０６とがそれぞれ独立して設けられているため、これらのコイルに流す電流を調整することによって、ｒ方向（質量分離機１０２の径方向ｒ）に磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を付与することができる。この結果、第１イオンビーム束Ｉａにおけるｘ方向の幅を維持したまま、収束発散させずに、平行なイオンビーム束として第３イオンビーム束Ｉｃを出力することが可能である。
【００２０】
なお、特許文献２には空芯ソレノイドの構成例が開示され、特許文献３には、イオンビーム中に接続用導体を形成する構成例が開示されている。これは詳細に後述する実施形態で引用する。
【特許文献１】特許第３４４９１９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２５５７号公報
【特許文献３】特開２００２−２０３８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
図２２および図２３で前述したように、上記特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置１００によれば、特定のイオン種からなり、ｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に縦長のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力することが可能である。
【００２２】
しかしながら、この従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角方向）の幅を広げることができないという課題があった。
【００２３】
即ち、従来のイオンビーム発生装置１００において、十分な質量分離精度（イオン種分離精度）を確保し、かつ、イオンビーム束のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角方向）の幅を広げようとすると、質量分離精度の確保ためにスリット板１０７の長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを狭くする必要があり、また、スリット板１０７を通過した後のイオンビーム束の幅を広げるために、スリット板１０７と被処理物１０９との間の距離を大きく取る必要がある。これらを実現することが困難であるため、従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して直角の方向）の幅を十分に広げることができなかった。この課題について、以下のように詳述する。
【００２４】
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）はそれぞれ、長穴幅Ｗｏｕｔを種々変化させて、磁場強度（磁束密度）Ｂｙと、スリット板１０７から出力される第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【００２５】
本シミュレーションでは、イオン源１０１から出力される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が、それぞれ等量含まれているものとしている。
【００２６】
図２４では、第１イオンによるビーム電流（Ｉｃ１）を点線で、また、第２イオンによるビーム電流（Ｉｃ２）を一点鎖線でそれぞれ示している。さらに、第１イオンと第２イオンのビーム電流の和（Ｉｃｔ＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、即ち、第３イオンビーム束Ｉｃの総ビーム電流は実線で示している。
【００２７】
なお、実際には、それぞれのイオンによる個別のビーム電流（Ｉｃ１、Ｉｃ２）を測定することはできず、測定可能であるのは、これらの和である第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流（Ｉｃｔ）のみである。
【００２８】
試算条件については、質量分離機１０２（ヨーク１０４）の中心角を９０°とし、また、真空ケース１０３の径方向（ｒ方向）の幅Ｗｉｎを、その中心（ｒ＝ｒｃ）における半径の値の約７０％（Ｗｉｎ≒ｒｃ×０．７）とした。さらに、スリット板１０７は、質量分離機１０２の出口部１０２ａに密着しているものとした。
【００２９】
図２４（ａ）は、スリット板１０７の長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを、真空ケース１０３の幅Ｗｉｎに対して１／４倍、図２４（ｂ）は１／２倍、図２４（ｃ）は１／１倍として、ビーム電流をそれぞれ計算した結果を示している。
【００３０】
なお、図２４の各図の縦軸はビーム電流の相対値を示しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てが長穴１０８を通過した場合の値を「１」としている。また、図２４の各図の横軸については、磁場強度（磁束密度）Ｂｙを任意スケールで示している。
【００３１】
図２４（ａ）→図２４（ｂ）→図２４（ｃ）に示すように、長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを順次広げていくと、第１イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ２）との重複部分が大きくなり、両者の分離が困難になってくることが分かる。
【００３２】
長穴１０８の幅Ｗｏｕｔが広い場合、例えば図２４（ｃ）に示すようにＷｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１の場合には、第１イオンを全く含まず、かつ、第２イオンを多く含むようにして、第２イオンのみを効果的に抽出しようとすると、磁場（磁束密度）Ｂｙを図中のＢｙ１〜Ｂｙ２の範囲に設定する必要がある。
【００３３】
しかしながら、この磁場範囲は、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）において、ピークなどの特徴点とならないため、検出することができない。これは、第１イオンビームと第２イオンビームの双方のビーム電流カーブの重複部分でピークが生じてしまう結果であり、質量分離（イオン種分離）の精度が不十分であることを意味している。
【００３４】
このように、長穴幅Ｗｏｕｔが広い場合には、第２イオンのみを効果的に抽出するための適切な磁場設定を行うことができず、さらに、このために誤った磁場設定を行ってしまう可能性も高い。
【００３５】
例えば、第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流Ｉｃｔがピークとなる値に磁場（磁束密度）Ｂｙを設定した場合（Ｂｙ＝Ｂｙｍａｘ）には、第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態となる。この状態は、図２５に示すイオンビームの軌跡を参照すると、より理解が容易になる。
【００３６】
図２５は、図２２のイオンビーム発生装置１００において第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。ここでは、第１イオンの軌跡を点線で示し、第２イオンの軌跡を実線で示している。
【００３７】
図２５に示すように、長穴幅Ｗｏｕｔが広い場合には、第２イオンによるイオンビーム束Ｉｃ２に併せて、第１イオンによるイオンビーム束Ｉｃ１もスリット板１０７から出力されてしまう。したがって、十分な質量分離（イオン種分離）精度を確保しようとすると、スリット板１０７の長穴幅Ｗｏｕｔを狭くせざるを得ない。
【００３８】
上記のように、図２２および図２３に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、十分な質量分離精度を確保するために、長穴１０８の幅Ｗｏｕｔを狭くする必要がある。このため、イオンビーム束のｘ方向（磁場Ｂｙに対して垂直な方向）の幅を広げることが困難である。即ち、幅広のイオンビーム束を得ようとすると、長穴１０８の位置でビーム束を収束させると共に、その後の発散によりビーム束の幅を広げる必要がある。
【００３９】
しかしながら、長穴１０８の幅を狭くした場合には、長穴１０８通過後のビーム束の広がり角も小さくなるため、長穴１０８（スリット板１０７）と被処理物１０９との間の距離を大きく取らなければ、ビーム束の幅を広げることができない。また、所定幅のビーム束を得るためには、この長穴１０８（スリット板１０７）と被処理物１０９との間の距離を厳格に管理する必要がある。さらに、長穴１０８の幅を狭くし過ぎると、所望のイオンも長穴１０８を通過することができなくなり、ビーム電流が低下する虞れがある。
【００４０】
したがって、幅広ビーム束を得るための上記設定は実現が困難であり、図２２および図２３に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、イオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）のｘ方向（磁場Ｂｙに対して垂直な方向）の幅を広げることができなかった。
【００４１】
一方、単純にイオンビーム束の幅を広げるためには、ｒ方向（質量分離機１０２の径方向）に磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を付与することにより、イオンビーム束を収束発散させないようにして、幅広の平行ビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を得ることも可能である。
【００４２】
しかしながら、この手法を用いた場合には、幅広の平行なビーム束を得ることはできても、十分な質量分離精度（イオン種の分離精度）を確保することができない。この課題について、以下に詳述する。
【００４３】
図２６（ａ）は、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１におけるビーム電流カーブについて、磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、図２６（ｂ）は、磁場勾配を付与しない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【００４４】
なお、図２６（ａ）は、下記（式Ａ）で表される磁場Ｂｙ（ｒ）によって磁場勾配を付与した結果を示しており、図２６の各図の横軸は、真空ケース１０３の径方向中心の磁場Ｂｙ（ｒｃ）を任意スケールで表している。また、図２６の各図の縦軸は、図２４の場合と同様に、ビーム電流の相対値を示しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てが長穴１０８を通過した場合の値を「１」としている。
【００４５】
Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式Ａ）
上記（式Ａ）において、ｒは質量分離機１０２における曲率の中心を原点（ｒ＝０）とする径方向座標であり、ｒｃは真空ケース１０３における径方向中心のｒ座標である。
【００４６】
図２６の各図を比較すると、磁場勾配を付与しても、第１イオンのカーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのカーブ（Ｉｃ２）との重複部分が少なくならないことが分かる。即ち、図２６（ａ）に示すように磁場勾配を付与した場合には、図２７に示すように幅広の平行なビーム束を得ることはできるが、質量分離精度（イオン種の分離精度）は特に改善されない。
【００４７】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、特定のイオン種からなり、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広で大面積のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力できるイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法、およびこのイオンビーム発生装置を用いて作製する機能素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４８】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４９】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機は、内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５０】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるケーシング部材は前記質量分離機の出口部と連接しており、前記イオンビームの進行方向における該ケーシング部材の直線状の内壁面の長さＬは、該質量分離機の出口部の、前記内径側から外径側に向かう径方向における幅以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法である。
【００５１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置において、前記長さＬは前記幅の２倍から５倍である。
【００５２】
本発明のイオンビーム発生装置は、質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有し、該ビーム湾曲度変化手段は、該質量分離機の内径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、該イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、該イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００５３】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置において、複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、前記質量分離機は、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な方向の前記磁場を与えて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを分離出力可能とする。
【００５４】
本発明のイオンビーム発生装置は、複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段と、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な第２方向の磁場を与えて、該イオンビーム束を構成する各イオンビームの軌道を湾曲させて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする質量分離機とを備え、該イオンビーム引出手段は、該第２方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するビーム初速勾配生成手段を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００５５】
また、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における前記質量分離機から出力される特定種類のイオンのイオンビームは、互いに略平行な複数本のイオンビームで、該複数本のイオンビームは、前記内径側から外径側に向かう径方向における前記質量分離機の出口部の幅と等しい幅のイオンビーム束を構成している。
【００５６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って前記磁場が小さくなるように磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段である。
【００５７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、電流値×ターン数が該内側コイルよりも該外側コイルの方が小さく構成されている。
【００５８】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、該内側コイルと該外側コイルのターン数が同じで、該外側コイルに流れる電流値が該内側コイルに流れる電流値よりも小さく設定されている。
【００５９】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、該内側コイルと該外側コイルに流れる電流値が同じで、該外側コイルのターン数が該内側コイルのターン数よりも少なく設定されている。
【００６０】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、 前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、前記イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、前記イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている。
【００６１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数本の外径側導体のうちの一部の外径側導体に磁気シールドが施されて、該外径側導体の有効本数が前記内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている。
【００６２】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側導体の本数が前記内径側導体の本数よりも少なく構成されている。
【００６３】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、 前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って配置された円弧状の内径側導体を有する内径側磁気回路と、該質量分離機の外径側外周壁面に沿って配置された円弧状の外径側導体を有する外径側磁気回路とを備え、該外径側磁気回路の磁気抵抗値が該内径側磁気回路の磁気抵抗値よりも大きく構成されている。
【００６４】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路の磁路長が前記内径側磁気回路の磁路長よりも長く構成されている。
【００６５】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路の磁路断面積が前記内径側磁気回路の磁路断面積よりも小さく構成されている。
【００６６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における外径側磁気回路および前記内径側磁気回路はヨーク部材を有し、前記外径側磁気回路のヨーク部材が前記内径側磁気回路のヨーク部材よりも低透磁率の材料によって構成されている。
【００６７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とがそれぞれ１本毎に、該接続用導体を介して、該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続され、そのことによってソレノイドコイルが構成されている。
【００６８】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とが、該接続用導体→該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続されてソレノイドコイルが構成されている。
【００６９】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを接続する各接続用導体を更に有し、該外径側導体と該内径側導体とが１本ずつ該接続用導体で接続されて１ループ電流路が複数構成されている。
【００７０】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配生成手段は、前記質量分離機の前記磁場方向の両端面側にそれぞれ磁極が配置され、該質量分離機の内径側ほど前記磁場が大きくなるように構成された補助マグネットを有する。
【００７１】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における磁場勾配を有する磁場Ｂ（ｒ）は、
Ｂ（ｒ）＝Ｂ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式１）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている。
【００７２】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心の磁場Ｂ（ｒｃ）は、
Ｂ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ／ｑ）０．５／ｒｃ ・・・ （式２）
但し、Ｖはイオン源とイオンビーム引出手段との間に印加される電圧の絶対値、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、
によって設定されている。
【００７３】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機に入射されるイオンビーム束の各イオンビームにおけるイオンの飛来速度が、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きくなるように、速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段である。
【００７４】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム初速勾配生成手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かう第１方向に垂直な方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するように構成されている。
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数の引出電極はそれぞれ、抵抗体を介して直列接続されており、抵抗分割によって前記電圧を印加する。
【００７５】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置におけるビーム初速勾配生成手段は、前記イオンビーム引出手段に設けられている。
【００７６】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における複数本の引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒ）は、
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている。
【００７７】
さらに、好ましくは、本発明のイオンビーム発生装置における質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心に位置する、前記引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒｃ）は、
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂ×ｒｃ）２／（２×ｍ） ・・・ （式４）
但し、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、Ｂは磁場強度
によって設定されている。
【００７８】
また、本発明のイオンビーム発生方法は、本発明の上記イオンビーム発生装置を用いて、特定イオンの平行なイオンビームからなるイオンビーム束を出力させるものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００７９】
本発明の機能素子の製造方法は、本発明の上記イオンビーム発生装置を用いて不純物イオン注入が為された領域を形成する工程を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００８０】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００８１】
本発明にあっては、磁場勾配生成手段やビーム初速勾配生成手段などのビーム湾曲度変化手段によって、イオンビーム束を構成する個々のイオンビームにおける質量分離機への入射位置が内径側から外径側に向かうに従って、イオンビームの軌道半径が大きくなるように、質量分離機内でイオンビームの湾曲度を変化させる。これにより、イオンビームを収束発散させないようにして、質量分離機の出口部において、内径側から外径側に向かう方向（ｘ方向）に通常幅よりも幅広のイオンビーム束を形成することが可能となる。
また、上記のビーム湾曲度変化手段によって、特定のイオン種のイオンビームを、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとすることができ、さらに、従来のスリット板の代わりに、直線状の壁面を有するケーシング部材を用いて、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させることにより、特定の傾斜角をもつ上記特定のイオン種のイオンビームからなる幅広（ｘ方向）のイオンビーム束を出力することが可能となる。したがって、ｘ方向に幅広のイオンビーム束に対して、十分な質量分離精度を確保することができ、その結果、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【発明の効果】
【００８２】
以上により、本発明のイオンビーム発生装置によれば、質量分離機内で特定のイオン種類によるイオンビームを同心円状に湾曲させ、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとするビーム湾曲度変化手段と、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材とを設けることによって、磁場に対して垂直な方向（ｘ方向）に幅広のイオンビーム束に対しても、十分な質量分離精度を確保することができる。すなわち、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【００８３】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、ＩＣやＴＦＴ液晶素子などの半導体デバイスの製造工程において、特定のイオン種類からなる大面積のイオンビーム束によって、高精度に大面積のイオン注入処理を行うことができる。したがって、高精度のイオン注入が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部など、所定の導電型の半導体領域を容易に、かつ、高速に形成して、トランジスタなどの機能素子を作製することが可能となる。このようにして作製された機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力および高信頼性を有するデバイスとして非常に有用であり、また、大面積のイオンビームを用いて高スループットで作製されるため、非常に低コスト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８４】
以下に、本発明のイオンビーム発生装置の実施形態１〜９について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
本実施形態１は、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００の要部構成例と類似しているものの、従来のスリット板１０７に代えて、後述するケーシング部材を備えている点に特徴構成があり、このケーシング部材を設けると共に、後述する質量分離機の径方向に磁場勾配を与える磁場勾配生成手段を設けることによって、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広の特定イオン種からなる大面積イオンビーム束を出力可能としたものである。
【００８５】
図１は、本発明の実施形態１に係るイオンビーム発生装置の概略構成例を示す断面図であり、図２は、図１のその主要部である質量分離機とその周辺部の構成例を示す断面斜視図である。
【００８６】
図１および図２において、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０は、イオン源１と、イオンビーム引出手段としての引出電極１０と、ビーム湾曲度変化手段を備えた質量分離機２と、ケーシング部材７とを有している。
【００８７】
イオン源１では、放電などにより複数種のイオンが生成される。このイオン源１は、例えばアノード１ａとカソード１ｂの間で原料ガス（例えばＨ２希釈されたＢ２Ｈ６）を分解することによって、複数種のイオン（Ｂ２Ｈｘ＋、Ｂ１Ｈｘ＋、Ｈｘ＋など）が生成されるように構成されている。なお、アノード１ａとカソード１ｂの間には、効率的に原料ガスを分解できるように、電子供給用のフィラメント１ｃなどが設けられていてもよい。
【００８８】
引出電極１０は、負にバイアスされており、この引出電極１０によって、上記イオン源１で生成された複数種のイオン（Ｂ２Ｈｘ＋、Ｂ１Ｈｘ＋、Ｈｘ＋など）が、第１イオンビーム束Ｉａとして引き出され、後述する質量分離機２に入射される。なお、上記イオン源１と引出電極１０とを併せたものが、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００におけるイオン源１０１に相当する。
【００８９】
この引出電極１０から出力される第１イオンビーム束Ｉａは、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００の場合と同様に、図中のｘ方向、およびｙ方向（図１では、紙面に対して垂直な方向）に幅を有する長方形断面のビーム束であるが、従来技術に比べてｘ方向の幅が広く設定されている。互いに直交する上記ｘ方向およびｙ方向はそれぞれ、特許請求の範囲における第１方向および第２方向に対応している。なお、本明細書において、ｙ方向は、後述する磁場Ｂｙの方向と定義し、また、ｘ方向は、イオンビーム束の断面においてｙ方向（磁場Ｂｙの方向）に垂直な方向と定義している。
【００９０】
質量分離機２では、引出電極１０によってイオン源１から引き出された第１イオンビーム束Ｉａに対してｙ方向の磁場を与え、そのことにより、第１イオンビーム束Ｉａに含まれる複数種のイオンの軌道が、それぞれ、質量および入射位置（ｘ方向の位置）に応じた半径で湾曲される。これにより、第１イオンビーム束Ｉａから分離されて、それぞれのイオン種に対応する複数のイオンビーム束（第２イオンビーム束Ｉｂ）が作られる。例えば、第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が含まれている場合には、図３に示すように、第２イオンビーム束Ｉｂ１（図３中の破線）とＩｂ２（図３中の実線）が作られる。
【００９１】
この質量分離機２は、図１および図２に示すように、ヨーク４、内側コイル５および外側コイル６によって構成されており、質量分離機２（ヨーク４）をｙ方向（第２方向）から見た側面は、扇形状をなしている。なお、この扇形の径方向（ｒ方向）は、質量分離機２の入口部２ｃにおいて、ｘ方向（第１方向）と一致している。
【００９２】
また、ヨーク４を、扇形状の湾曲に沿った方向（ｒｙ面に直交する方向、以下、ｚ方向と呼ぶ）から見た断面は、図４に示すように、中央に開口部４ｅを有するロ字型となっている。
図４は、図１の質量分離機２をｒｙ面で切断した場合の断面図であって、ｚ方向の下流側から上流側に向けて、図１の質量分離機２を見た場合の断面図である。
【００９３】
図４に示すように、このロ字型ヨーク４のうち、内径側の内側ヨーク部４ｄに内側コイル５が、また、外径側の外側ヨーク部４ｂに外側コイル６がそれぞれ巻回されている。イオンビームは、開口部４ｅ内に設けられた真空ケース３の内部空間３ｅを通過する。
【００９４】
上記内側コイル５と外側コイル６にはそれぞれ、図４中の矢印ｖｉおよびｖｏの方向に磁場が生成されるように電流が流されている。双方の内側コイル５と外側コイル６によってそれぞれ生成される各磁場の反発作用により、開口部４ｅ内（真空ケース３の内部空間３ｅ）に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。この磁場（磁束密度）Ｂｙの作用により、真空ケース３内を進行するイオンの軌道が、略ｚ方向に沿って湾曲させられる。
【００９５】
本実施形態１の質量分離機２においては、その内径側から外径側に向かうに従って、ｙ方向の磁場（磁束密度）Ｂｙが小さくなるように磁場勾配が付与されている（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）。具体的には、ターン数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が同じで、外側コイル６に流れる電流が、内側コイル５に流れる電流よりも小さく設定されている。または、コイルを流れる電流が同じで、外側コイル６のターン数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内側コイル５のターン数よりも少なく巻回されている。これらによって、ロ字型ヨーク４の開口部４ｅ内（真空ケース３の内部空間３ｅ内）に磁場勾配が付与される。なお、電流×ターン数が内側コイル５よりも外側コイル６が小さければ、その内径側から外径側に向かうに従って、ｙ方向の磁場（磁束密度）Ｂｙが小さくなるように磁場勾配が付与される。また、本実施形態１において、内側コイル５および外側コイル６は磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）に対応する。
【００９６】
上記磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ）を有する磁場Ｂｙ（ｒ）は、好ましくは、下記（式１）のように設定される。
【００９７】
Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） （式１）
なお、上記（式１）において、ｒは質量分離機２の径方向の座標位置であり、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としている。また、ｒ＝ｒｃは、質量分離機２においてイオンビームが通過する真空ケース３の内部空間３ｅにおける径方向中心のｒ座標を示している。
【００９８】
以上のように磁場勾配を設定することによって、図３に示すように、第２イオンビーム束Ｉｂ１およびＩｂ２を構成する個々のイオンビームＩｂ１−１、Ｉｂ１−２、Ｉｂ１−３、Ｉｂ１−４、およびＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３、Ｉｂ２−４は、内径側から外径側に向うに従って、イオンビームの軌道半径が大きくなる。
【００９９】
特に、質量分離機２においてイオンビームが通過する真空ケース３内の内部空間３ｅにおける径方向中心の磁場Ｂｙ（ｒｃ）を、
Ｂｙ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ２／ｑ）０．５／ｒｃ （式２）
となるように設定した場合には、図３に示すように、第２イオン（質量：ｍ２）によるイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４の軌道が、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径曲率および内径曲率と同心円状となる。
【０１００】
上記（式２）において、Ｖはイオン源１と引出電極１０との間に印加される電圧であり、ｍ２はイオンビーム束に図３に示すように２種類のイオンビームが含まれている場合の第２イオンの質量であり、ｑは第２イオンの電荷である。
【０１０１】
したがって、図３に示すように、これらのイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４からなる第２イオンビーム束Ｉｂ２は、質量分離機２の出口部２ａにおいて、ｚ軸に対する傾斜角が０゜の平行なビーム束となる。
【０１０２】
一方、第２イオン以外のイオン（第１イオン）によるイオンビームの軌道は、図３に示すように、質量分離機２（ヨーク４、真空ケース３）の外径曲率および内径曲率と同心円状とはならず、したがって、真空ケース３の壁面３ｄ，３ｂと衝突するか、または、質量分離機２の出口部２ａにおいてｚ軸に対して大きく傾斜する。
【０１０３】
即ち、図３において、第１イオンによるイオンビームＩｂ１−１およびＩｂ１−２は、真空ケース３の壁面３ｄに衝突している。また、イオンビームＩｂ１−３およびＩｂ１−４は、真空ケース３の壁面３ｄおよび３ｂと衝突していないが、質量分離機２の出口部２ａにおいてｚ軸に対して大きく傾斜している。
【０１０４】
図１および図２に示すケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａと接続して設けられており、真空ケース３の壁面３ｄに連接する内側の直線状壁面７ｄおよび、真空ケース３の壁面３ｂに連接する外側の直線状壁面７ｂを有している。
【０１０５】
直線状壁面７ｄおよび７ｂは、質量分離機２の出口部２ａにおいて、真空ケース３の壁面（曲面）３ｄおよび３ｂの接線方向（ｚ方向）に延在している。即ち、ケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて、ｚ軸に対する傾斜角が０゜のイオンビームを優先的に通過させるためのものであり、その壁面７ｄおよび７ｂに衝突せずに通過したイオンビームのみが、第３イオンビーム束Ｉｃとして出力される。
【０１０６】
図３の事例では、ケーシング部材７の壁面７ｄおよび７ｂに平行なイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４、即ち、第２イオンビーム束Ｉｂ２を構成するイオンビームは、ケーシング部材７を通過することができる。
【０１０７】
一方、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて大きく傾斜しているイオンビームＩｂ１−３およびＩｂ１−４は、ケーシング部材７の壁面７ｄと衝突するため、ケーシング部材７を通過することができない。
【０１０８】
この結果、第２イオンからなる第２イオンビーム束Ｉｂ２のみが、そのまま、第３イオンビーム束Ｉｃとしてケーシング部材７から出力される。
【０１０９】
即ち、図２２に示す従来のイオンビーム発生装置１００では、スリット板１０７によりｘ方向の幅のみを制限して質量分離していたのに対して、本実施形態１では、ケーシング部材７の壁面７ｄおよび７ｂによって、さらに傾斜角にも制限を与えている。
【０１１０】
このことによって、本実施形態１では、ケーシング部材７のｘ方向の幅が広くても、十分な質量分離精度を確保することができる。これによって、特定のイオン種からなる、ｘ方向に幅広のイオンビーム束（第３イオンビーム束Ｉｃ）を出力すること可能となる。
【０１１１】
このように、所望のイオン種（特定質量のイオン種：第２イオン）に対して特定の傾斜角を付与するために、本実施形態１では、質量分離機２にビーム湾曲度変化手段としての磁場勾配生成手段を設け、上記磁場勾配を付与している。
【０１１２】
以上のようにして、ケーシング部材７から出力された第３イオンビーム束Ｉｃは、図１の被処理物（半導体）９上に照射され、ここにイオン注入処理が行なわれる。このイオン注入により所定の導電型とされた半導体領域を用いて、ＴＦＴなどの機能素子が作製される。
【０１１３】
なお、第３イオンビーム束Ｉｃは、図１に示すように、ケーシング部材７よりも後段に設けられた加速電極１１によって適宜に加速され、加速されたイオンビーム束が被処理物９上に照射される。
【０１１４】
但し、この場合、加速電極１１は、ケーシング部材７よりも後段に配置する必要があり、ケーシング部材７の前段に配置することは好ましくない。これは、磁場勾配により制御されているはずのイオン種毎の傾斜角が、加速電極１１による一定方向の加速によって、イオン種によらずほぼ一方向を向いてしまうからである。なお、加速電極１１は、ない場合もあり得る。
【０１１５】
次に、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０による効果について、詳細に説明する。
【０１１６】
図５は、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０における磁場強度（磁束密度）Ｂｙと第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流の関係について、従来技術と比較したシミュレーション結果を示すグラフである。
【０１１７】
図５（ａ）は、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によるシミュレーション結果であり、ケーシング部材７を設けると共に、質量分離機２の径方向に、上記（式１）で表される磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果である。なお、ｙ方向には、磁場勾配がないものとしている（∂Ｂｙ／∂ｙ＝０）。
【０１１８】
本シミュレーションでは、引出電極１０から出力される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））がそれぞれ等量含まれているものとする。
【０１１９】
第１イオンによるビーム電流（Ｉｃ１）は図５中の点線で、また、第２イオンによるビーム電流（Ｉｃ２）は一点鎖線でそれぞれ示している。さらに、第１イオンと第２イオンのビーム電流の和（Ｉｃｔ＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）、即ち、第３イオンビーム束Ｉｃの総ビーム電流は実線で示している。なお、実際には、各々のイオンによる個別のビーム電流（Ｉｃ１、Ｉｃ２）を測定することはできず、測定可能であるのは、これらの和である第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流（Ｉｃｔ）のみである。
【０１２０】
試算条件については、質量分離機２（ヨーク４）の中心角を９０°とし、また、真空ケース３の径方向（ｒ方向）の幅Ｗｉｎを、その中心（ｒ＝ｒｃ）における半径の値の約７０％（Ｗｉｎ≒ｒｃ×０．７）とした。さらに、ケーシング部材７は、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａと接続しており、その幅Ｗｏｕｔは、真空ケース３の幅Ｗｉｎと同じであるとした（Ｗｏｕｔ＝Ｗｉｎ）。さらに、ケーシング部材７の長さＬは、幅Ｗｏｕｔの２．５倍とした（Ｌ＝Ｗｏｕｔ×２．５）。なお、ケーシング部材７のｚ方向（イオンビームの進行方向）の長さＬは、質量分離機２の出口部２ａの、内径側から外径側に向かう径方向における幅（Ｗｏｕｔ）以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法であればよい。より好ましくは、この長さＬはその幅Ｗｏｕｔの２倍から５倍に設定される。なお、幅Ｗｏｕｔは、Ｗｏｕｔ≦Ｗｉｎであればよく、Ｗｏｕｔ＝Ｗｉｎに限られない。
【０１２１】
一方、図５（ｂ）および図５（ｃ）は、従来のイオンビーム発生装置１００によるシミュレーション結果を示している。
【０１２２】
図５（ｂ）は、磁場勾配を付与し、ケーシング部材７に替えて、これと同じ幅Ｗｏｕｔのスリット板１０７を設けた場合の結果であり、図２６（ａ）と同じグラフである。また、図５（ｃ）は、磁場勾配を付与しなかった場合（∂Ｂｙ（ｒ）／∂ｒ＝０、Ｂｙ（ｒ）＝Ｂｙ（ｒｃ））の結果であり、図２６（ｂ）（または図２４（ｃ））と同じグラフである。その他の試算条件は、図５（ａ）と同じである。
【０１２３】
図５（ａ）〜図５（ｃ）の各図の横軸は、真空ケース３の径方向中心の磁場（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）を任意スケールで示している。また、各図の縦軸は、ビーム電流の相対値を表しており、一方のイオン種（第１イオンまたは第２イオン）の全てがケーシング部材７またはスリット板１０７を通過した場合の値を「１」としている。
【０１２４】
図５（ａ）〜図５（ｃ）を比較して、本実施形態１の場合（図５（ａ））には、第１イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ１）と第２イオンのビーム電流カーブ（Ｉｃ２）との重複が少なく、両者を十分に分離できることが分かる。
【０１２５】
例えば、図５（ａ）の場合に、第１イオンを全く含まず、かつ、第２イオンを多く含むようにして、第２イオンのみを効果的に抽出しようとすると、磁場（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）を図中のＢｙ＿Ｉｃ２ｍａｘに設定する必要がある。この磁場の値（Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘ）は、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）においてもピーク点となっているために、確実に検出することができる。
【０１２６】
一方、ケーシング部材７を設けない図５（ｂ）の場合や、さらに、磁場勾配を付与しない図５（ｃ）の場合には、上記最適な磁場の値Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘが、実際に測定される第３イオンビーム束Ｉｃのカーブ（Ｉｃｔ）においてピークなどの特徴点とならないため、検出することができない。しかも、この磁場（Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘ）においては、第３イオンビーム束Ｉｃに、第２イオンだけでなく第１イオンも混在している。
【０１２７】
上記状態は、Ｂｙ（ｒｃ）＝Ｂｙ＿Ｉｃ２ｍａｘにおけるイオンビームの軌跡を、図５（ａ）〜図５（ｃ）の各々の条件について計算した結果である図６（ａ）〜（ｃ）を参照すると、より理解しやすい。
【０１２８】
即ち、本実施形態１の場合（図６（ａ））には、特定イオン（第２イオン）によるイオンビーム束Ｉｂ２のみが、質量分離機２（真空ケース３）の出口部２ａにおいて、ｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広のイオンビーム束となり、さらに、ケーシング部材７が、この傾斜角が０゜の平行ビーム束を優先的に通過させている。このようにして、特定イオン（第２イオン）のみによるイオンビーム束Ｉｃ２を出力できる。したがって、ケーシング部材７の幅Ｗｏｕｔが広くても、特定イオン（第２イオン）のみによるイオンビーム束Ｉｃ２を出力できる。
【０１２９】
一方、ケーシング部材７を設けない場合（図６（ｂ））や、さらに、磁場勾配を付与しない場合（図６（ｃ））には、所望イオン（第２イオン）によるイオンビーム束Ｉｂ２と併せて、第１イオンによるイオンビーム束Ｉｂ１の一部もスリット１０７から出力されてしまう。したがって、これらの場合には、スリット板１０７の幅Ｗｏｕｔを狭くせざるを得ず、その結果、ｘ方向（磁場に対して垂直な方向）に幅広のイオンビーム束を出力することができない。
【０１３０】
以上のように、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によれば、内側コイル５と外側コイル６とを含むビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段）と、ケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１３１】
磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）では、特定のイオン種によるイオンビームを同心円状に湾曲させて、これらのイオンビームが、質量分離機２の出口部２ａにおいて、ｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広ビーム束となるようにしている。また、ケーシング部材７では、この傾斜角が０゜である、特定のイオン種によるビーム束を、優先的に通過させるようにしている。即ち、スリット板によって幅（イオンビームの通過位置）のみを制限して質量分離を行っていた従来技術に対して、さらにイオンビームの傾斜角にも制限を与えて質量分離を行っている。これにより、ケーシング部材７のｘ方向（磁場に対して垂直な方向）の幅がより広くても、十分な質量分離精度を確保することが可能となる。
【０１３２】
このように、本実施形態１のイオンビーム発生装置２０によれば、質量分離機２の径方向に磁場勾配を付与すると共に、ケーシング部材７を設けることにより、従来技術の課題であった、特定のイオン種からなり、ｘ方向（磁場に対して直角方向）に幅広のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１３３】
なお、本実施形態１では、質量分離機２の出口部２ａにおいて，ｚ方向に対して傾斜角が０゜となるイオンビーム束を優先的に通過させるために、ケーシング部材７の直線状壁面７ｄおよび７ｂをｚ方向と平行にしている。
【０１３４】
しかしながら、このケーシング部材７は、質量分離機２の出口部２ａにおいて、特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるものであればよく、ｚ方向に対して傾斜角を有するビーム束を優先的に通過させたい場合には、これに応じて、直線状壁面７ｄおよび７ｂを傾斜させればよい。
【０１３５】
また、上記では、最も好ましい例として、（式１）のような磁場勾配を付与する場合について本実施形態の効果を説明したが、内径側から外径側に向かうに従って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配であればよく、また、必ずしも、内径側から外径側に向かって連続的に磁場が変化するものでなくてもよい。要は、質量分離機の内径側から外径側に向かってイオンビームの軌道半径を大きくできるものであればよい。但し、（式１）とは異なる磁場勾配の場合には、厳密にはイオンビームが同心円状に湾曲せず、質量分離機の出口部でのイオンビームの平行性は若干崩れる。
【０１３６】
また、本実施形態１では、質量分離機２が扇形状である場合について説明したが、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。
【０１３７】
上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０では、内側コイル５と外側コイル６とからなるビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段）、およびケーシング部材７を主要構成要素として、これらの双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力できるようにしている。
【０１３８】
上記主要２構成要素のうち、ビーム湾曲度変化手段については、種々の形態を採用することが可能であり、以下の本発明の実施形態２〜９では、本実施形態１とは異なる形態のビーム湾曲度変化手段を採用している。
【０１３９】
なお、以下の各実施形態２〜９において、ビーム湾曲度変化手段以外の構成は、本実施形態１の場合と同様である。したがって、各実施形態２〜９においてビーム湾曲度変化手段が、本実施形態１の場合と同様の作用効果を奏するものであれば、本実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
（実施形態２）
上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０では、質量分離機２（真空ケース３）の径方向に磁場勾配を付与するために、２組のコイル（内側コイル５、外側コイル６）とヨーク４を用いたが、イオンビーム発生装置の構成を簡略化、および軽量化するためには、１組のコイルで、かつ、ヨークを用いずに、上記実施形態１と同等の効果を達成することが好ましい。本実施形態２では、簡略、かつ、軽量な構成で上記実施形態１と同等の効果を得ることが可能なイオンビーム発生装置について説明する。
【０１４０】
図７は、本発明の実施形態２に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述する質量分離機２０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０１４１】
図７において、本実施形態２のイオンビーム発生装置２００は、図１および図２に示すイオンビーム発生装置２０の質量分離機２に代えて、空芯ソレノイド型の質量分離機２０２を備えている。その他の構成については、上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。なお、本実施形態２の空芯ソレノイドの構造は、特許文献２に開示されている構造を一部応用したものである。
【０１４２】
図７に示すように、本実施形態２の質量分離機２０２は、イオンビームが通過する真空ケース２０３と、ソレノイドコイル２０５とによって構成されている。
【０１４３】
真空ケース２０３は、上記実施形態１のイオンビーム発生装置２０の真空ケース３と同様のものであるが、その外径側曲面２０３ｂおよび内径側曲面２０３ｄに接して、ソレノイドコイル２０５が配置されている。なお、図中の２０３ｈおよび７ｈは、それぞれ、真空ケース２０３およびケーシング部材７のｙ方向（第２方向）の端面を示している。
【０１４４】
ソレノイドコイル２０５は、大別すると、４つの導体グループ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃおよび２０５ｄから構成されている。
【０１４５】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ｂは、真空ケース２０３の外径側曲面２０３ｂに沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されて構成されている。
【０１４６】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ｄは、真空ケース２０３の内径側曲面２０３ｄに沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されて構成されている。
【０１４７】
ソレノイドコイル２０５の導体グループ２０５ａおよび２０５ｃはそれぞれ、質量分離機２０２の出口部２０２ａおよび入口部２０２ｃにおいて、外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−２、・・・と、内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、・・・とを接続する接続用導体グループである。なお、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃは、ソレノイドコイル２０５がイオンビームの通路を遮らないように、真空ケース２０３の入口部および出口部を避けて、真空ケース２０３の外部に配置されている。
【０１４８】
図８は、図７のソレノイドコイル２０５の接続状態を説明するための模式図である。
【０１４９】
図８に示すように、導体グループ２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃおよび２０５ｄを構成する各導体は、（接続用導体２０５ａ−１）→（外径側導体２０５ｂ−１）→（接続用導体２０５ｃ−１）→（内径側導体２０５ｄ−１）→（接続用導体２０５ａ−２）→（外径側導体２０５ｂ−２）・・・というように、外径側導体と内径側導体とが接続用導体によって順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル２０５を構成している。この空芯ソレノイドコイル２０５によって、真空ケース２０３内に、ｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。
【０１５０】
しかしながら、上記構成のみでは、空芯ソレノイドコイル２０５による磁場が形成されても、磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することはできない。
【０１５１】
そこで、本実施形態２では、外径側導体グループ２０５ｂを構成する一部の導体、図７および図８の事例では、外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・に対して磁気シールドが施されている。
【０１５２】
具体的には、磁気シールドされるべき外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・の各々の周囲が、それぞれ、外径側磁気シールド管２１５ｂ−２、２１５ｂ−４、２１５ｂ−６、・・・（以下では、総称して、外径側磁気シールド管２１５ｂと呼ぶこともある）によって覆われている。なお、外径側磁気シールド管２１５ｂには、鉄などの高透磁率材料が用いられる。
【０１５３】
この構成によって、外径側導体２０５ｂ−２、２０５ｂ−４、２０５ｂ−６、・・・から生成される各々の磁場は、それぞれ、外径側磁気シールド管２１５ｂ−２、２１５ｂ−４、２１５ｂ−６、・・・によってシールドされるため、真空ケース２０３の中には侵入してこず、磁場Ｂｙの形成には寄与しない。
【０１５４】
一方、それ以外の外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−３、２０５ｂ−５、・・、および内径側導体グループ２０５ｄを構成する全ての導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、２０５ｄ−３、・・・に対しては磁気シールドが施されておらず、これらの導体は、磁場Ｂｙの形成に寄与している。
【０１５５】
上記構成により、全ての内径側導体２０５ｄ−１、２０５ｄ−２、２０５ｄ−３、・・・が磁場Ｂｙの形成に寄与する一方で、外径側導体グループ２０５ｂについては、磁気シールドされていない外径側導体２０５ｂ−１、２０５ｂ−３、２０５ｂ−５、・・・のみが磁場Ｂｙの形成に寄与することになる。
【０１５６】
したがって、一続きのソレノイドコイル２０５でありながらも、外径側導体グループ２０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ２０５ｄの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくすることができる。その結果、上記実施形態１の場合と同様に、質量分離機２０２の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することができる。
【０１５７】
なお、本実施形態２において、磁場勾配を付与する外径側導体グループ２０５ｂと内径側導体グループ２０５ｄは、特許請求の範囲における磁場勾配生成手段（ビーム湾曲度変化手段）に対応する。
【０１５８】
以上のように、本実施形態２においても、質量分離機２０２の径方向に磁場勾配を付与することができるため、上記実施形態１と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１５９】
しかも、本実施形態２ではコイルは１組のみであり、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置２００として、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１６０】
なお、本実施形態２において、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃによる磁場が問題となるような場合には、図９に示すように、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃに対しても、接続部磁気シールド管２１６によって、適宜、磁気シールドを施して磁場による影響を防ぐことができる。
【０１６１】
また、本実施形態２では、質量分離機２０２が扇形状である場合について説明したが、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体２０５ｂおよび内径側導体２０５ｄは、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態３）
上記実施形態２では、磁気シールド管２１５ｂを用いることによって、外径側導体グループ２０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ２０５ｄの有効本数よりも少なくする場合について説明したが、本実施形態３では、このような磁気シールド管２１５ｂを用いずに、接続用導体の引回しの工夫によって、外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を内径側導体の本数より少なくすることにより、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与する場合について説明する。
【０１６２】
図１０は、本発明の実施形態３に係るイオンビーム発生装置において、ソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【０１６３】
図１０において、本実施形態３のイオンビーム発生装置３００は、図７〜図９に示すイオンビーム発生装置２００のソレノイドコイル２０５に代えて、ソレノイドコイル３０５を用いている。その他の構成については、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０１６４】
図１０に示すように、本実施形態のソレノイドコイル３０５は、５つの導体グループ３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄおよび３０５ｆによって構成されている。
【０１６５】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体３０５ｂ−１、３０５ｂ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１６６】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｄは、図示しない真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体３０５ｄ−１、３０５ｄ−２、３０５ｄ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１６７】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ａおよび３０５ｃはそれぞれ、図示しない質量分離機の出口部および入口部において、外径側導体３０５ｂ−１、３０５ｂ−３、・・・と、内径側導体３０５ｄ−１、３０５ｄ−２、３０５ｄ−３、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０１６８】
ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ｆは、外径側導体を介さずに内径側導体同士を接続する第２接続用導体グループである。これによって、一続きのソレノイドコイル３０５でありながらも、外径側導体グループ３０５ｂの本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ３０５ｄの本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくしている。
【０１６９】
このように、本実施形態３では、外径側導体グループ３０５ｂを構成する外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内径側導体グループ３０５ｄを構成する内径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくする点を特徴構成としている。
【０１７０】
したがって、ソレノイドコイル３０５の導体グループ３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄおよび３０５ｆを構成する各導体は、図１０に示すように、（第１接続用導体３０５ａ−１）→（外径側導体３０５ｂ−１）→（第１接続用導体３０５ｃ−１）→（内径側導体３０５ｄ−１）→（第２接続用導体３０５ｆ−１）→（内径側導体３０５ｄ−２）→（第１接続用導体３０５ａ−３）→（外径側導体３０５ｂ−３）→・・・というように、外径側導体と内径側導体とが第１接続用導体により、内径側導体同士が第２接続用導体により、順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル３０５が構成されている。
【０１７１】
この空芯ソレノイドコイル３０５によって、真空ケース内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、しかも、質量分離機（真空ケース）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与される。
【０１７２】
この作用効果は、空芯ソレノイドコイル３０５が、以下の２つの接続パターンで構成されていることにより得られるものである。
【０１７３】
第１接続パターンは、上記実施形態２の場合と同様に、外径側導体と内径側導体とが接続されるパターンである。この第１接続パターンでは、（第１接続用導体３０５ａ−１）→（外径側導体３０５ｂ−１）→（第１接続用導体３０５ｃ−１）→（内径側導体３０５ｄ−１）というように、外径側導体と内径側導体とが第１接続用導体により接続されている。
【０１７４】
第２接続パターンは、外径側導体グループ３０５ｂを介さずに、内径側導体同士（例えば、内径側導体３０５ｄ−１と内径側導体３０５ｄ−２）が接続されるパターンである。この第２接続パターンでは、（内径側導体３０５ｄ−１）→（第２接続用導体３０５ｆ−１）→（内径側導体３０５ｄ−２）というように、内径側導体同士が第２接続用導体により接続されている。
【０１７５】
以上のように、本実施形態３の空芯ソレノイドコイル３０５によれば、外径側導体と内径側導体を接続する第１接続パターンに加えて、内径側導体同士を接続する第２接続パターンも採用している。このため、一続きのソレノイドコイル３０５でありながらも、外径側導体グループ３０５ｂの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ３０５ｄの導体本数よりも少なくすることができる。
【０１７６】
これによって、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することが可能となり、上記実施形態１，２の場合と同様に、ケーシング部材７の作用効果と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０１７７】
しかも、コイルは１組のみで、また、上記実施形態１のようにヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置３００として、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１７８】
さらに、外径側導体グループ３０５ｂの導体本数を、実体として内径側導体グループ３０５ｄの導体本数よりも少なくすることができるため、上記実施形態２のように、外径側導体の有効本数を内径側導体の有効本数よりも少なくするために、外径側導体に対して磁気シールドを施す必要がなくなる。このため、イオンビーム発生装置の構成を、更により簡略なものとすることができる。
【０１７９】
なお、本実施形態３においても、必要に応じて、第１接続用導体グループ３０５ａ、３０５ｃ、および第２接続用導体グループ３０５ｆに対して、適宜に磁気シールドを施して不要な磁場の影響を防止するようにしてもよい。
また、本実施形態３の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態４）
上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００では、ソレノイドコイル２０５がイオンビームの通路を遮らないように、接続用導体グループ２０５ａおよび２０５ｃを真空ケース２０３の外部に配置したが、接続用導体グループの配置は、上記構成には限らず、特許文献３に開示されている構造を一部応用して、接続用導体グループをイオンビームの通路中に配置することも可能であり、本実施形態４では、この場合について説明する。
【０１８０】
図１１は、本発明の実施形態４に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述の質量分離機４０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０１８１】
図１１において、本実施形態のイオンビーム発生装置４００は、図７および図８に示すイオンビーム発生装置２００において真空ケース２０３の外部に配置されていた接続用導体を、イオンビームの通路中に設けたものである。その他の構成は、実施形態２と同様であるので、図示と説明を省略する。
【０１８２】
図１１に示すように、本実施形態４の質量分離機４０２は、イオンビームが通過する真空ケース４０３とソレノイドコイル４０５とによって構成されている。なお、真空ケース４０３そのものは、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の真空ケース２０３と同様のものである。
【０１８３】
ソレノイドコイル４０５は、４つの導体グループ４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃおよび４０５ｄによって構成されている。
【０１８４】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ｂは、真空ケース４０３の外径側曲面４０３ｂに沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体４０５ｂ−１、４０５ｂ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１８５】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ｄは、真空ケース４０３の内径側曲面４０３ｄに沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体４０５ｄ−１、４０５ｄ−２、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０１８６】
上記外径側導体グループ４０５ｂおよび内径側導体グループ４０５ｄは、上記実施形態２の導体グループ２０５ｂおよび２０５ｄと同じものであり、外径側導体グループ４０５ｂを構成する一部の導体（図１１および図１２の事例では、外径側導体４０５ｂ−２、４０５ｂ−４、４０５ｂ−６、・・・）には、磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・によって磁気シールドが施されている。
【０１８７】
ソレノイドコイル４０５の導体グループ４０５ａおよび４０５ｃはそれぞれ、質量分離機４０２の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃにおいて、外径側導体４０５ｂ−１、４０５ｂ−２、・・・と、内径側導体４０５ｄ−１、４０５ｄ−２、・・・とを接続する接続用導体グループである。
【０１８８】
接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃは、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃに面してスリット状に配置されており、この構成が上記実施形態２とは異なる点である。
【０１８９】
なお、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃを構成する各導体４０５ａ−１、４０５ａ−２、・・・および４０５ｃ−１、４０５ｃ−２、・・・には、イオンビームの影響を受けずに電流を流せるように、静電シールドが施されている。
【０１９０】
具体的には、接続用導体４０５ａ−１、４０５ａ−２、・・・および４０５ｃ−１、４０５ｃ−２、・・・の各々の周囲が、空間または絶縁物を介して、接続部静電シールド管４１７ａ−１、４１７ａ−２、・・・および４１７ｃ−１、４１７ｃ−２、・・・（以下では、総称して、接続部静電シールド管４１７と呼ぶこともある）によって覆われている。接続部静電シールド管４１７には、ステンレスなどの導電性材料が用いられている。
【０１９１】
本実施形態４においては、導体グループ４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃおよび４０５ｄを構成する各導体が、図１２に示すように、（接続用導体４０５ａ−１）→（外径側導体４０５ｂ−１）→（接続用導体４０５ｃ−１）→（内径側導体４０５ｄ−１）→（接続用導体４０５ａ−２）→（外径側導体４０５ｂ−２）…というように、内径側導体と外径側導体とが接続用導体により順次連続的に接続されて、螺旋状の空芯ソレノイドコイル４０５が構成されている。
【０１９２】
この空芯ソレノイドコイル４０５によって、真空ケース４０３内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、また、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０１９３】
なお、磁場勾配の付与方法は、上記実施形態２と同様であり、一部の外径側導体に磁気シールドを施すことによって、外径側導体グループ４０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ４０５ｄの有効本数よりも少なくしている。
【０１９４】
以上のように、本実施形態４によれば、質量分離機４０２の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態２の場合と同様に、ケーシング部材７の作用効果と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。しかも、コイルは１組のみで、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置を、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０１９５】
さらに、本実施形態４においては、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の出口部４０２ａおよび入口部４０２ｃに面して、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃを配置しているため、これらの接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃも磁場Ｂｙの形成に寄与させることができる。
【０１９６】
その結果、ｚ方向（質量分離機４０２の周方向）における磁場Ｂｙの均一性が高まり、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００よりも、さらに、質量分離精度（イオン種分離精度）の向上を図ることができる。
【０１９７】
さらに、接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃの引き回しの距離が上記実施形態２の場合によりも短くなるため、ソレノイドコイル４０５の抵抗も小さくなると共に、ソレノイドコイル４０５を形成するための配線を容易に引き回すことが可能となる。
なお、本実施形態４の質量分離機４０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
【０１９８】
なお、ここで、本実施形態４の変形例について説明する。
【０１９９】
本実施形態４のイオンビーム発生装置４００では、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の入口部４０２ｃおよび出口部４０２ａに面して、接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａを配置している。
【０２００】
このため、質量分離機４０２の入口部４０２ｃよりも前段、および出口部４０２ａよりも後段が、ソレノイドコイル４０５の外部に位置することになり、これらの領域では、微小ながらも真空ケース４０３の内部とは逆向きの磁場が形成されている。この逆向きの磁場は、質量分離機４０２に入射されるイオンビーム束や、出力されるイオンビーム束を傾斜させてしまう虞がある。
【０２０１】
このような問題に対処するためには、接続用導体グループ４０５ｃの前段、および接続用導体グループ４０５ａの後段に、磁気シールド手段を設けておけばよい。
【０２０２】
例えば、図１３に示すように、接続用導体グループ４０５ｃの前段、および接続用導体グループ４０５ａの後段に、スリット状の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを配置することができる。
【０２０３】
スリット状磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａは、複数の磁気シールド棒４１８ｃ−１、４１８ｃ−２、・・・および４１８ａ−１、４１８ａ−２、・・・からなり、各々の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａは、接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａの各導体と対向して配置されている。
【０２０４】
この構成によれば、質量分離機４０２の入口部４０２ｃよりも前段、および出口部４０２ａよりも後段における磁場が、各磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを通るため、スリット状の磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａのスリット間を通過するイオンビームには、不要な磁場が作用しなくなる。その結果、質量分離機４０２に入射されるイオンビーム束や、出力されるイオンビーム束が傾斜するような問題を防止することができる。
【０２０５】
なお、スリット状磁気シールド４１８ｃおよび４１８ａを構成する各磁気シールド棒４１８ｃ−１、４１８ｃ−２、・・・および４１８ａ−１、４１８ａ−２、・・・には、静電シールドが施されていることが好ましく、この場合には、各磁気シールド棒を、図示しない静電シールド管（パイプ）によって覆うことができる。
【０２０６】
さらに、磁気シールド手段の別の構成として、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００における接続部静電シールド管４１７ａおよび４１７ｃの内部に、接続用導体４０５ａおよび４０５ｃと共に、磁気シールド棒を設けるような構成としてもよい。
（実施形態５）
上記実施形態４では、磁気シールド管４１５ｂを用いることによって、外径側導体グループ４０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ４０５ｄの有効本数よりも少なくしているが、磁気シールド管４１５ｂを用いずに、接続用導体の引回しの工夫によって、外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を内径側導体の本数より少なくすることも可能であり、本実施形態５では、上記実施形態３のイオンビーム発生装置３００において用いた第２接続用導体グループ３０５ｆを、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００に適用する場合について説明する。
【０２０７】
図１４は、本発明の実施形態５に係るイオンビーム発生装置におけるソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【０２０８】
図１４に示すように、本実施形態５のソレノイドコイル５０５は、５つの導体グループ５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄおよび５０５ｆによって構成されている。
【０２０９】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体５０５ｂ−１、５０５ｂ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０２１０】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｄは、図示しない真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体５０５ｄ−１、５０５ｄ−２、５０５ｄ−３、・・・が、ｙ方向に複数本配置されている。
【０２１１】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ａおよび５０５ｃはそれぞれ、図示しない質量分離機の出口部および入口部において、外径側導体５０５ｂ−１、５０５ｂ−３、・・・と、内径側導体５０５ｄ−１、５０５ｄ−２、５０５ｄ−３、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０２１２】
この第１接続用導体グループ５０５ａおよび５０５ｃは、上記実施形態４の接続用導体グループ４０５ａおよび４０５ｃと同様に、質量分離機の出口部および入口部に面して、スリット状に配置されている。
【０２１３】
また、第１接続用導体５０５ａ−１、５０５ａ−３、・・・および５０５ｃ−１、５０５ｃ−３、・・・の各々の周囲が、空間または絶縁物を介して、第１接続部静電シールド管５１７ａ−１、５１７ａ−３、・・・および５１７ｃ−１、５１７ｃ−３、・・・によって覆れている。
【０２１４】
ソレノイドコイル５０５の導体グループ５０５ｆは、外径側導体を介さずに内径側導体同士を接続する第２接続用導体グループであり、上記実施形態３のイオンビーム発生装置３００に用いた第２接続用導体グループ３０５ｆと同様のものである。
【０２１５】
導体グループ５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄおよび５０５ｆを構成する各導体は、図１４に示すように、（第１接続用導体５０５ａ−１）→（外径側導体５０５ｂ−１）→（第１接続用導体５０５ｃ−１）→（内径側導体５０５ｄ−１）→（第２接続用導体５０５ｆ−１）→（内径側導体５０５ｄ−２）→（第１接続用導体５０５ａ−３）→（外径側導体５０５ｂ−３）→…というように、外径側導体と内径側導体が第１接続用導体により、内径側導体同士が第２接続用導体により、順次連続的に接続されて、空芯ソレノイドコイル５０５が構成されている。
【０２１６】
このような接続により、一続きのソレノイドコイル５０５でありながらも、外径側導体グループ５０５ｂの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ５０５ｄの導体本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）よりも少なくすることができる。したがって、質量分離機（真空ケース）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することが可能となる。
【０２１７】
以上のように、本実施形態５によれば、外径側導体グループ５０５ｂを構成する外径側導体の本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）が、内径側導体グループ５０５ｄを構成する内径側導体の本数よりも少なくなっているため、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができ、上記実施形態４の場合と同等の効果を得ることができる。
【０２１８】
さらに、本実施形態５では、外径側導体グループ５０５ｂの導体本数を、実体として内径側導体グループ５０５ｄの導体本数よりも少なくすることができる。このため、上記実施形態４のように、外径側導体の有効本数を内径側導体の有効本数よりも少なくするために、外径側導体に対して磁気シールドを施す必要がない。このため、イオンビーム発生装置の構成を、より簡略なものとすることができる。
【０２１９】
なお、本実施形態５においても、上記実施形態３の場合と同様に、第２接続用導体グループ５０５ｆに対して適宜に磁気シールドを施して、不要な磁場の影響を防止するようにしていてもよい。
また、本実施形態５の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態６）
上記実施形態４では、螺旋状のソレノイドコイル４０５によって、真空ケース４０３内にｙ方向の磁場Ｂｙを形成し、また、質量分離機４０２（真空ケース４０３）の径方向に磁場勾配を付与していたが、上記磁場Ｂｙの形成は、螺旋状のソレノイドコイルに限らず、他の電流路によっても実現可能である。本実施形態６では、これについて説明する。
【０２２０】
図１５は、本発明の実施形態６に係るイオンビーム発生装置における磁場形成用電流路の構成例を示す模式図である。
【０２２１】
図１５において、本実施形態６のイオンビーム発生装置６００は、図１１および図１２のイオンビーム発生装置４００におけるソレノイドコイル４０５に代えて、磁場形成用の電流路６０５を設けたものである。その他の構成は、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２２２】
図１５に示すように、本実施形態６の電流路６０５は、６つの導体グループ６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ、６０５ｇおよび６０５ｈによって構成されている。
【０２２３】
電流路６０５の導体グループ６０５ｂは、図示しない真空ケースの外径側曲面に沿った外径側導体グループであり、円弧状の外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・がｙ方向に複数本配置されている。
【０２２４】
電流路６０５の導体グループ６０５ｄは、真空ケースの内径側曲面に沿った内径側導体グループであり、円弧状の内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・がｙ方向に複数本配置されている。
【０２２５】
上記外径側導体グループ６０５ｂおよび内径側導体グループ６０５ｄは、上記実施形態４の導体グループ４０５ｂおよび４０５ｄと同じものであり、外径側導体グループ６０５ｂを構成する一部の導体（図１５の事例では、外径側導体６０５ｂ−２、６０５ｂ−４、６０５ｂ−６、・・・）には、磁気シールド管６１５ｂ−２、６１５ｂ−４、６１５ｂ−６、・・・によって磁気シールドが施されている。
【０２２６】
電流路６０５の導体グループ６０５ｃは、質量分離機の入口部において、外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・と、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・とを接続する第１接続用導体グループである。
【０２２７】
電流路６０５の導体グループ６０５ａは、質量分離機の出口部において、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・と、後述する第２配線用導体６０５ｈを接続する第３接続用導体グループである。
【０２２８】
第１接続用導体グループ６０５ｃおよび第３接続用導体グループ６０５ａは、上記実施形態４の接続用導体グループ４０５ｃおよび４０５ａと同様に、質量分離機の出口部および入口部に面して、スリット状に配置されている。
【０２２９】
また、第３接続用導体６０５ａ−１、６０５ａ−２、・・・および第１接続用導体６０５ｃ−１、６０５ｃ−２、・・・の各々の周囲は、空間または絶縁物を介して、接続部静電シールド管６１７ａ−１、６１７ａ−２、・・・および６１７ｃ−１、６１７ｃ−２、・・・によって覆れている。
【０２３０】
電流路６０５の導体グループ６０５ｇは、外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・の各々の端部と接続された第１配線用導体である。
【０２３１】
また、電流路６０５の導体グループ６０５ｈは、第３接続用導体６０５ａ−１、６０５ａ−２、・・・の各々の端部と接続された第２配線用導体である。
【０２３２】
本実施形態６では、図１５に示すように、（第１配線用導体６０５ｇ）→（外径側導体グループ６０５ｂ）→（第１接続用導体グループ６０５ｃ）→（内径側導体グループ６０５ｄ）→（第３接続用導体グループ６０５ａ）→（第２配線用導体６０５ｈ）というように外径側導体と内径側導体とが１本ずつ接続されて、電流路６０５が構成されている。
【０２３３】
この電流路６０５において、外径側導体グループ６０５ｂを構成する各外径側導体６０５ｂ−１、６０５ｂ−２、・・・は並列に接続されている。これと同様に、内径側導体６０５ｄ−１、６０５ｄ−２、・・・も並列に接続されている。即ち、電流路６０５は、螺旋状のソレノイドではなく、１ループ毎の電流路である。
【０２３４】
上記電流路６０５によって、図示しない真空ケース内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成され、また、質量分離機の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０２３５】
このような磁場勾配の付与方法は、上記実施形態４の場合と同様であり、一部の外径側導体に磁気シールドを施すことによって、外径側導体グループ６０５ｂの有効本数（Ｔｕｒｎ／ｍ）を、内径側導体グループ６０５ｄの有効本数よりも少なくしている。
【０２３６】
以上のように、本実施形態６によれば、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。しかも、コイルは１組のみで、また、ヨークも用いていないため、イオンビーム発生装置を、より簡略な構成で、かつ、より軽量なものとすることができる。
【０２３７】
なお、本実施形態６では、１ループ毎の電流路６０５を用いているために、第１配線用導体６０５ｇと第２配線用導体６０５ｈとの隙間で、若干の漏洩磁束が生じるが、螺旋状のソレノイドコイルを用いた場合に比べて、その配線形成が容易になる。
【０２３８】
また、本実施形態６では、上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００の構成に対して、１ループ毎の電流路を適用した場合について説明したが、上記実施形態２のイオンビーム発生装置２００の構成に対しても、同様の方法で、１ループ毎の電流路を形成することが可能である。
また、本実施形態６の質量分離機も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態７）
質量分離機の径方向に磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段として、上記実施形態１では内側コイル５と外側コイル６を、また、上記実施形態２〜６では、ソレノイドコイル２０５、３０５、４０５、５０５および６０５を用いていたが、このような磁場勾配の付与は、上記各実施形態１〜６のようなコイルに限らず、他の構成によっても実現可能である。本実施形態７では、これについて説明する。
【０２３９】
図１６は、本発明の実施形態７に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機７０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０２４０】
図１６において、本実施形態７のイオンビーム発生装置７００は、図１１および図１２のイオンビーム発生装置４００において、外径側導体の周囲を覆っていた磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・を取り外し、その替わりに、磁場勾配生成ヨーク７２０を設けている。その他の構成は、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２４１】
本実施形態７の質量分離機７０２は、イオンビームが通過する真空ケース７０３、ソレノイドコイル７０５および磁場勾配生成ヨーク７２０とによって構成されている。
【０２４２】
ソレノイドコイル７０５は、上記実施形態４の場合と同様に、４つの導体グループ７０５ａ、７０５ｂ、７０５ｃおよび７０５ｄによって構成されているが、外径側導体グループ７０５ｂを構成する各導体には、磁気シールドが施されていない。したがって、このソレノイドコイル７０５のみでは、質量分離機７０２の径方向に磁場勾配を付与することができない。
【０２４３】
そこで、本実施形態７では、磁場勾配を付与するために、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いている。
【０２４４】
磁場勾配生成ヨーク７２０は、周方向（ｚ方向）から見た断面が図１７に示すような形状をしており、大別すると、外径側ヨーク部７２０ｂと内径側ヨーク部７２０ｄとによって構成されている。
【０２４５】
外径側ヨーク部７２０ｂは、主として、質量分離機の外径側曲面に沿って配置された円弧状の外径側導体グループ７０５ｂによって生成される磁場を通過させる磁気回路となり、特許請求の範囲における外径側磁気回路に対応する。
【０２４６】
また、内径側ヨーク部７２０ｄは、主として、質量分離機の内径側曲面に沿って配置された円弧状の内径側導体グループ７０５ｄによって生成される磁場を通過させる磁気回路となり、特許請求の範囲における内径側磁気回路に対応する。
【０２４７】
ここで、外径側ヨーク部７２０ｂは、内径側ヨーク部７２０ｄに比べて磁気抵抗が大きくなるように、例えば、磁路長が長くなるように、または、磁路断面積が小さくなるように、あるいは磁路長が長くなり、かつ、磁路断面積が小さくなるように構成されている。さらに、外径側ヨーク部７２０ｂに、内径側ヨーク部７２０ｄよりも低透磁率の材料を用いるようにしてもよい。この場合には、例えば、外径側ヨーク部７２０ｂに磁性ＳＵＳ（ステンレス材）を用い、内径側ヨーク部７２０ｄに鉄を用いることもできる。
【０２４８】
上記磁場勾配生成ヨーク７２０を用いることによって、ソレノイドコイル７０５から生じるｙ方向の磁場Ｂｙに、内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）を付与することができる。
【０２４９】
以上のように、本実施形態７によれば、質量分離機７０２の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
なお、本実施形態７では、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いているために、イオンビーム発生装置７００の重量が重くなるが、外径側導体に対して磁気シールドを施すような構造が不要となるため、イオンビーム発生装置７００として、より簡略な構成とすることができる。
また、本実施形態７の質量分離機７０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。この場合には、外径側導体および内径側導体は、円弧状ではなく直線状のものとなるが、特許請求の範囲では、これらを総称して、「円弧状」と表現している。
（実施形態８）
上記実施形態７では、ソレノイドコイル７０５と併せて、磁場勾配生成ヨーク７２０を用いることによって磁場勾配を付与したが、上記磁場勾配の形成は、磁場勾配生成ヨーク７２０に限らず、他の構成によっても実現可能である。本実施形態８では、これについて説明する。
【０２５０】
図１８は、本発明の実施形態８に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機８０２）の断面図である。
【０２５１】
図１８において、本実施形態８のイオンビーム発生装置８００は、図１６および図１７に示すイオンイオンビーム発生装置７００の磁場勾配生成ヨーク７２０に代えて、補助マグネット８５０を設けている。その他の構成は、上記実施形態７の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２５２】
図１８に示すように、本実施形態８の質量分離機８０２は、イオンビームが通過する真空ケース８０３、ソレノイドコイル８０５および補助マグネット８５０によって構成されている。
【０２５３】
ソレノイドコイル８０５は、上記実施形態７のソレノイドコイル７０５と同様であり、このソレノイドコイル８０５のみでは、質量分離機８０２の径方向に磁場勾配を付与することができない。
【０２５４】
そこで、本実施形態８では、磁場勾配を付与するために、補助マグネット８５０を設けている。
【０２５５】
補助マグネット８５０は、補助コイル８５１と補助ヨーク８５２とによって構成されている。補助ヨーク８５２は、質量分離機８０２のｙ方向側の端面に磁極８５２ｊおよび８５２ｋが設けられている。これらの磁極８５２ｊおよび８５２ｋ間のギャップは、質量分離機８０２の内径側においてｙ方向の磁場が大きくなるように、質量分離機８０２の内径側から外径側に向かって大きくなっている。真空ケース８０３は、この磁極間ギャップ内に配置されている。
【０２５６】
なお、図１８では、補助ヨーク８５２の磁極部が、外径側導体グループ８０５ｂの付近にまで伸びているが、磁極部の長さは、付与すべき磁場勾配の程度により、適宜に短くするなど調整すればよい。
【０２５７】
上記構成により、ソレノイドコイル８０５から生成される磁場と、補助マグネット８５０から生成される磁場との双方の寄与によって、真空ケース８０３内にｙ方向の磁場Ｂｙが形成される。
【０２５８】
また、質量分離機８０２（真空ケース８０３）の内径側から外径側に向って磁場Ｂｙが小さくなるような磁場勾配（∂Ｂｙ／∂ｒ＜０）が付与されている。
【０２５９】
以上のように、本実施形態８によれば、質量分離機の径方向に磁場勾配を付与することができるので、上記実施形態４の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２６０】
なお、本実施形態８においては、補助マグネット８５０を用いているために、イオンビーム発生装置の重量が重くなるが、ソレノイドコイル８０５とは別に設けられた補助コイル８５１によって、磁場勾配の程度を適宜に調整することができるため、磁場勾配設定の自由度が広がる。
（実施形態９）
上記実施形態１〜８では、ビーム湾曲度変化手段として磁場勾配生成手段を用いて、この磁場勾配生成手段によって、特定のイオン種からなるイオンビームを同心円状に湾曲させて、質量分離機の出口部側において傾斜角が０゜となる平行なイオンビーム束を形成している。このような磁場勾配生成手段とケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力できる。
【０２６１】
しかしながら、特定のイオン種からなるイオンビームを同心円状に湾曲させるビーム湾曲度変化手段は、上記磁場勾配生成手段には限らない。例えば、質量分離機に入射されるイオンの初速度が、内径側から外径側に向って大きくなるような速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段であってもよい。本実施形態９では、これについて説明する。
【０２６２】
図１９は、本発明の実施形態９に係るイオンビーム発生装置の主要部（後述の質量分離機９０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【０２６３】
図１９において、本実施形態９のイオンビーム発生装置９００は、図１１および図１２に示す上記実施形態４のイオンビーム発生装置４００において、外径側導体の周囲を覆っていた磁気シールド管４１５ｂ−２、４１５ｂ−４、４１５ｂ−６、・・・を取り外し、さらに、引出電極１０の代わりに電位勾配型引出電極９１０を設けている。その他の構成については、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その図示とその説明を省略する。
【０２６４】
まず、本実施形態の質量分離機９０２の構成について説明する。
【０２６５】
質量分離機９０２は、イオンビームが通過する真空ケース９０３とソレノイドコイル９０５とによって構成されている。真空ケース９０３は、上記実施形態４の真空ケース４０３と同様のものである。ソレノイドコイル９０５も、上記実施形態４と同様に、４つの導体グループ９０５ａ、９０５ｂ、９０５ｃおよび９０５ｄによって構成される螺旋状の空芯ソレノイドである。
【０２６６】
但し、本実施形態９では、外径側導体グループ９０５ｂを構成する各外径側導体９０５ｂ−１、９０５ｂ−２、・・・に磁気シールドが施されていない。したがって、ソレノイドコイル９０５によって真空ケース９０３内に形成されるｙ方向の磁場Ｂｙは、質量分離機９０２の径方向に磁場勾配を持たない（∂Ｂｙ／∂ｒ＝０）。上記以外の質量分離機９０２の構成については、上記実施形態４の場合と同様であるので、ここでは、その説明を省略する。
【０２６７】
次に、本実施形態９の電位勾配型引出電極９１０の構成について説明する。なお、この電位勾配型引出電極９１０は、特許請求の範囲における、ビーム初速勾配生成手段に対応する。
【０２６８】
図１９に示すように、電位勾配型引出電極９１０は、ｙ方向に延在した複数の棒状電極９１０−１、９１０−２、・・・が、ｘ方向（質量分離機９０２の入口部９０２ｃにおいては、質量分離機９０２径方向（ｒ方向）と一致する方向）に複数本並べられて、構成されている。
【０２６９】
各棒状の引出電極９１０−１、９１０−２、・・・には、ｘ方向の上方に向かうに従がって、即ち、質量分離機９０２の内径側から外径側に向かうに従って、大きな負電圧Ｖ（ｒ）が印加されるようになっている。これにより、電位勾配型引出電極９１０から引き出されるイオンビーム束を構成する個々のイオンビームに対して、ｘ方向の上方に向かうに従がって、即ち、質量分離機９０２の内径側から外径側に向かうに従って、イオンの飛来速度ｖが大きくなるように、速度勾配が付与される。
【０２７０】
上記棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・に印加される負電圧Ｖ（ｒ）は、好ましくは、下式（３）のように設定される。
【０２７１】
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
上記（式３）において、ｒは質量分離機の径方向の座標位置であり、質量分離機９０２（真空ケース９０３）の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としている。また、ｒ＝ｒｃは、質量分離機９０２においてイオンビームが通過する真空ケース９０３の内部空間９０３ｅにおける径方向中心のｒ座標を示す。さらに、負電圧Ｖ（ｒ）はイオン源１に対する電位差である。
【０２７２】
上記（式３）の電圧設定については、例えば、棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・・の各々を絶縁しておき、それぞれの棒状引出電極に対して、ｒ方向位置に応じた所定の電圧を印加すればよい。
【０２７３】
また、図２０に示すように、棒状引出電極９１０−１、９１０−２、・・の各々を、順次、抵抗体９１２を介して直列接続し、抵抗分割によってｒ方向位置（ｘ方向位置）に応じた所定の電圧を印加するようにしてもよい。
【０２７４】
図２１は、上記（式３）の設定を行った場合について、イオンビーム軌道のシミュレーション結果を示す図である。
【０２７５】
本シミュレーションでは、イオン源１から引き出される第１イオンビーム束Ｉａに、２種のイオン（第１イオン：質量ｍ１、第２イオン：質量ｍ２（＝２×ｍ１））が含まれるものとする。また、真空ケース９０３の径方向中心に位置する棒状引出電極に印加する電圧Ｖ（ｒｃ）は、下記（式４）のように設定する。
【０２７６】
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂｙ×ｒｃ）２／（２×ｍ２） ・・・ （式４）
上記（式４）において、Ｂｙはソレノイドコイル９０５によって生成されるｙ方向の磁束密度であり、ｍ２は第２イオンの質量であり、ｑは第２イオンの電荷である。
【０２７７】
図２１に示すように、上記（式３）および（式４）の設定により、第２イオン（質量：ｍ２）によるイオンビームＩｂ２−１、Ｉｂ２−２、Ｉｂ２−３およびＩｂ２−４の軌道が、質量分離機９０２の曲率と同心円状となっていることが分かる。
【０２７８】
したがって、これらのイオンビームからなる第２イオンビーム束Ｉｂ２は、質量分離機９０２の出口部９０２ａにおいて、上記実施形態１における図３の場合と同様に、ｚ軸に対する傾斜角が０゜の平行なイオンビーム束となる。
【０２７９】
以上のように、本実施形態９においても、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機９０２の内部で同心円状に湾曲させて、これらのイオンビームが、質量分離機９０２の出口部９０２ａにおいてｚ方向に対して傾斜角が０゜の平行な幅広ビーム束となるようにしている。したがって、上記実施形態１〜８の場合と同様に、ケーシング部材７の作用と併せて、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２８０】
さらに、本実施形態９のビーム湾曲度変化手段は、電位勾配型引出電極９１０を設けるだけという簡単な構成である。
【０２８１】
なお、本実施形態９の質量分離機９０２も、イオンビームが所定の軌道半径で湾曲されるものであれば、必ずしも扇形状である必要はなく、例えば、図２８に示すように、外径側壁面および内径側壁面が、円弧状ではなくテーパ状をなしているものでもよい。
【０２８２】
以上により、本発明のイオンビーム発生装置は、上記実施形態１〜９で説明したように、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはビーム初速勾配生成手段）と、ケーシング部材７との双方の作用によって、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することができるようにしている。
【０２８３】
具体的には、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはビーム初速勾配生成手段）によって、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機内で同心円状に湾曲させ、これらのイオンビームが、質量分離機の出口部において、傾斜角がｚ軸に対して０゜の平行な幅広のイオンビーム束となるようにしている。さらに、ケーシング部材７が、この傾斜角が０゜で、特定のイオン種による平行ビーム束を、優先的に通過させるようにしている。
【０２８４】
これにより、スリット板によって幅（イオンビームの通過位置）のみを制限して質量分離していた従来技術に対して、さらに、イオンビームの傾斜角にも制限を与えて質量分離を行っている。このため、本発明のイオンビーム発生装置によれば、ケーシング部材のｘ方向（磁場に対して垂直な方向）の幅が広くても、十分な質量分離精度を確保することが可能となり、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力することできる。
【０２８５】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、半導体領域に対するイオン注入（イオンドーピング）を、高精度に、かつ、高速に行なうことができる。したがって、高精度のイオン注入（イオンドーピング）が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタにおける低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部などを、容易に、かつ、高速に形成することができる。
【０２８６】
このようにして作製されたトランジスタなどの機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力、および高信頼性を有するデバイスとして、非常に有用である。しかも、この機能素子は、大面積のイオンビーム束を用いて高スループットで作製することができるため、非常に低コスト化することができる。
【０２８７】
なお、上記実施形態１〜９では、ビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはイオンビーム初速勾配生成手段）と、ケーシング部材との双方を用いて、その相乗効果により、高精度の質量分離と大面積化の両立を図っている。
【０２８８】
しかしながら、質量分離精度よりもイオンビームの大面積化の要求の方が強いような用途に対しては、ケーシング部材７を省略することも可能である。この場合には、特に、実施形態２〜９で説明したビーム湾曲度変化手段（磁場勾配生成手段またはイオンビーム初速勾配生成手段）のみの利用でも、十分な効果が得られる。
【０２８９】
また、上記各実施形態１〜９では特に触れなかったが、質量分離機および磁場勾配生成手段による磁場の外部漏洩を防止する必要がある場合には、質量分離機の外周をシールド材で覆うなど、適宜に、磁気シールドを施すことが好ましい。
【０２９０】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜９を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜９に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜９の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０２９１】
本発明は、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束を出力可能とするイオンビーム発生装置、これを用いたイオンビーム発生方法および、このイオンビーム発生装置を用いて機能素子を製造する機能素子の製造方法の分野において、特定のイオン種によるイオンビームを質量分離機内で同心円状に湾曲させ、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有する平行なイオンビームとするビーム湾曲度変化手段と、質量分離機の出口部において特定の傾斜角を有するイオンビームを優先的に通過させるケーシング部材とを設けることにより、磁場に対して垂直な方向（ｘ方向）に幅広のイオンビーム束に対しても、十分な質量分離精度を確保することができる。すなわち、特定のイオン種からなる大面積（ｘ方向に幅広）のイオンビーム束を出力することが可能となる。
【０２９２】
このような本発明のイオンビーム発生装置を用いることにより、ＩＣやＴＦＴ液晶素子などの半導体デバイスの製造工程において、特定のイオン種からなる大面積のイオンビーム束によって、高精度に大面積のイオン注入処理を行うことができる。したがって、高精度のイオン注入が要求される、ＬＤＤ構造トランジスタの低キャリア密度導電層や、閾値電圧調整のために低ドーズイオンが注入されるチャネル部など、所定の導電型の半導体を容易に、かつ、高速に形成して、トランジスタなどの機能素子作製することが可能となる。このようにして作製された機能素子は、高スイッチング特性、低消費電力および高信頼性を有するデバイスとして非常に有用であり、また、大面積のイオンビームを用いて高スループットで作製されるため、非常に低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２９３】
【図１】本発明の実施形態１に係るイオンビーム発生装置の概略構成例を示す断面図である。
【図２】図１の質量分離機とその周辺部の構成を示す断面斜視図である。
【図３】図１のイオンビーム発生装置におけるイオンビームの軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図４】図１の質量分離機をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【図５】磁場強度（磁束密度）Ｂｙ（ｒｃ）と第３イオンビーム束のビーム電流の関係を示すシミュレーション結果図であって、（ａ）は図１のイオンビーム発生装置、（ｂ）は磁場勾配は付与しているが、ケーシング部材を設けていない従来のイオンビーム発生装置、（ｃ）は磁場勾配を付与せず、ケーシング部材も設けていない従来のイオンビーム発生装置のシミュレーション結果図である。
【図６】イオンビームの軌跡を示すシミュレーション結果図であって、（ａ）は図１のイオンビーム発生装置、（ｂ）は磁場勾配は付与しているが、ケーシング部材を設けていない従来のイオンビーム発生装置、（ｃ）は磁場勾配を付与せず、ケーシング部材も設けていない従来のイオンビーム発生装置のシミュレーション結果図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図８】図７のソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図９】図８のソレノイドコイルとは別の構成例を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係るイオンビーム発生装置において、ソレノイドコイルの接続状態を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係るイオンビーム発生装置の主要部（質量分離機４０２とその周辺部）の断面斜視図である。
【図１２】図１１のソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図１３】本発明の実施形態４の変形例におけるスリット状の磁気シールドを説明する模式図である。
【図１４】本発明の実施形態５に係るイオンビーム発生装置におけるソレノイドコイルの接続状態を説明するための模式図である。
【図１５】本発明の実施形態６に係るイオンビーム発生装置における電流路の構成例を説明するための模式図である。
【図１６】本発明の実施形態７に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図１７】図１６のイオンビーム発生装置の主要部をｒｙ面で切断した断面図である。
【図１８】本発明の実施形態８に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面図である。
【図１９】本発明の実施形態９に係るイオンビーム発生装置の主要部の断面斜視図である。
【図２０】図１９のイオンビーム発生装置における棒状引出電極への電圧印加方法の一例を示す図である。
【図２１】図１９のイオンビーム発生装置における、イオンビームの軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２２】特許文献１に開示されている従来のイオンビーム発生装置の基本構成例を模式的に示す要部断面図である。
【図２３】図２２の質量分離機をｒｙ面で切断した場合の断面図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は、長穴幅Ｗｏｕｔを種々変化させて、磁場強度（磁束密度）Ｂｙと、スリット板から出力される第３イオンビーム束Ｉｃのビーム電流との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図２５】図２２のイオンビーム発生装置において第１イオンと第２イオンとが全く分離されない状態のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２６】（ａ）は、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎ＝１／１におけるビーム電流カーブについて、磁場勾配を付与した場合のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は、磁場勾配を付与しない場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２７】図２６（ａ）に示す磁場勾配を付与した場合のイオンビーム軌跡の一例を示すシミュレーション結果図である。
【図２８】図１の質量分離機の外径側壁面および内径側壁面が円弧状ではなくテーパ状をなしている場合の模式図である。
【符号の説明】
【０２９４】
１：イオン源
１ａ：アノード
１ｂ：カソード
１ｃ：電子供給用フィラメント
２、２０２、４０２、７０２、８０２、９０２：質量分離機
２ａ、２０２ａ、４０２ａ：質量分離機の出口部
２ｃ、２０２ｃ、４０２ｃ：質量分離機の入口部
３、２０３、４０３、７０３、８０３、９０３：真空ケース
３ｂ、３ｄ、２０３ｂ、２０３ｄ、４０３ｂ、４０３ｄ、９０５ｂ、９０５ｄ：真空ケースの壁面
３ｅ、９０３ｅ：真空ケースの内部
４：ヨーク
４ｂ：外側ヨーク部
４ｄ：内側ヨーク部
４ｅ：ヨーク中央の開口部
５：内側コイル
６：外側コイル
７：ケーシング部材
７ｈ：ケーシング部材のｙ方向の端面
１０：引出電極
１１：加速電極
２０、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００，９００：イオンビーム発生装置
２０３ｈ：真空ケースのｙ方向の端面
２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５：ソレノイドコイル
２０５ａ、２０５ｃ、４０５ａ、４０５ｃ、７０５ａ、７０５ｃ、９０５ａ、９０５ｃ：接続用導体グループ
２０５ｂ、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ、６０５ｂ、７０５ｂ、８０５ｂ：外径側導体グループ
２０５ｄ、３０５ｄ、４０５ｄ、５０５ｄ、６０５ｄ、７０５ｄ、８０５ｄ：内径側導体グループ
２１５ｂ、４１５ｂ、６１５ｂ：外径側磁気シールド管
２１６：接続部磁気シールド管
３０５ａ、３０５ｃ、５０５ａ、５０５ｃ、６０５ｃ：第１接続用導体グループ
３０５ｆ、５０５ｆ：第２接続用導体グループ
４１７ａ、４１７ｃ、５１７ａ、５１７ｃ、６１７ａ、６１７ｃ、７１７ａ、７１７ｃ：接続部静電シールド管
４１８ａ、４１８ｃ：スリット状磁気シールド
６０５：電流路
６０５ａ：第３接続用導体グループ
６０５ｇ：第１配線用導体
６０５ｈ：第２配線用導体
７２０：磁場勾配生成ヨーク
７２０ｂ：外径側ヨーク部
７２０ｄ：内径側ヨーク部
８５０：補助マグネット
８５１：補助コイル
８５２：補助ヨーク
８５２ｊ、８５２ｋ：磁極
９１０：電位勾配型引出電極
９１２：抵抗体
Ｉａ：第１イオンビーム束
Ｉｂ：第２イオンビーム束
Ｉｂ１：第１イオンによるイオンビーム束
Ｉｂ２：第２イオンによるイオンビーム束
Ｉｃ：第３イオンビーム束
Ｉｃ：第３イオンビーム束
Ｂｙ：ｙ方向の磁場
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、
該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているイオンビーム発生装置。
【請求項２】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機は、内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、
該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているイオンビーム発生装置。
【請求項３】
前記ケーシング部材は前記質量分離機の出口部と連接しており、前記イオンビームの進行方向における該ケーシング部材の該直線状の内壁面の長さＬは、該質量分離機の出口部の、前記内径側から外径側に向かう径方向における幅以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法である請求項１または２に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】
前記長さＬは前記幅の２倍から５倍である請求項３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項５】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有し、
該ビーム湾曲度変化手段は、該質量分離機の内径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、該イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、該イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されているイオンビーム発生装置。
【請求項６】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記質量分離機は、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な方向の前記磁場を与えて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする請求項１、２および５のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項７】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、
該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段と、
該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な第２方向の磁場を与えて、該イオンビーム束を構成する各イオンビームの軌道を湾曲させて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする質量分離機とを備え、
該イオンビーム引出手段は、該第２方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するビーム初速勾配生成手段を有するイオンビーム発生装置。
【請求項８】
前記質量分離機から出力される前記特定種類のイオンのイオンビームは、互いに略平行な複数本のイオンビームで、該複数本のイオンビームは、前記内径側から外径側に向かう径方向における前記質量分離機の出口部の幅と等しい幅のイオンビーム束を構成している請求項１、２および５〜７のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項９】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って前記磁場が小さくなるように磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段である請求項１、２および５のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１０】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
電流値×ターン数が該内側コイルよりも該外側コイルの方が小さい請求項１、２および９のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１１】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
該内側コイルと該外側コイルのターン数が同じで、該外側コイルに流れる電流値が該内側コイルに流れる電流値よりも小さく設定されている請求項１、２、９および１０のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１２】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
該内側コイルと該外側コイルに流れる電流値が同じで、該外側コイルのターン数が該内側コイルのターン数よりも少なく設定されている請求項１、２，９および１０のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１３】
前記磁場勾配生成手段は、
前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、
該質量分離機の外径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、
前記イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、前記イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１４】
前記複数本の外径側導体のうちの一部の外径側導体に磁気シールドが施されて、該外径側導体の有効本数が前記内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている請求項１３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１５】
前記外径側導体の本数が前記内径側導体の本数よりも少なく構成されている請求項１３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１６】
前記磁場勾配生成手段は、
前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って配置された円弧状の内径側導体を有する内径側磁気回路と、
該質量分離機の外径側外周壁面に沿って配置された円弧状の外径側導体を有する外径側磁気回路とを備え、
該外径側磁気回路の磁気抵抗値が該内径側磁気回路の磁気抵抗値よりも大きく構成されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１７】
前記外径側磁気回路の磁路長が前記内径側磁気回路の磁路長よりも長く構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１８】
前記外径側磁気回路の磁路断面積が前記内径側磁気回路の磁路断面積よりも小さく構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１９】
前記外径側磁気回路および前記内径側磁気回路はヨーク部材を有し、
前記外径側磁気回路のヨーク部材が前記内径側磁気回路のヨーク部材よりも低透磁率の材料によって構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２０】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、
前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とがそれぞれ１本毎に、該接続用導体を介して、該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続され、そのことによってソレノイドコイルが構成されている請求項１３、１４および１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２１】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、
前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とが、該接続用導体→該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続されてソレノイドコイルが構成されている請求項１３、１５および１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２２】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを接続する各接続用導体を更に有し、
該外径側導体と該内径側導体とが１本ずつ該接続用導体で接続されて１ループ電流路が複数構成されている請求項１３〜１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２３】
前記磁場勾配生成手段は、前記質量分離機の前記磁場方向の両端面側にそれぞれ磁極が配置され、該質量分離機の内径側ほど前記磁場が大きくなるように構成された補助マグネットを有する請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２４】
前記磁場勾配を有する磁場Ｂ（ｒ）は、
Ｂ（ｒ）＝Ｂ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式１）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２５】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心の磁場Ｂ（ｒｃ）は、
Ｂ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ／ｑ）０．５／ｒｃ ・・・ （式２）
但し、Ｖはイオン源と該イオンビーム引出手段との間に印加される電圧の絶対値、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、
によって設定されている請求項２４に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２６】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機に入射されるイオンビーム束の各イオンビームにおけるイオンの飛来速度が、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きくなるように、速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段である請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２７】
前記ビーム初速勾配生成手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かう第１方向に垂直な方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、
該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するように構成されている請求項２６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２８】
前記複数の引出電極はそれぞれ、抵抗体を介して直列接続されており、抵抗分割によって前記電圧を印加する請求項７または２７に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２９】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記ビーム初速勾配生成手段は、該イオンビーム引出手段に設けられている請求項２６〜２８のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３０】
前記複数本の引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒ）は、
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている請求項２６〜２９のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３１】
前記質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心に位置する、前記引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒｃ）は、
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂ×ｒｃ）２／（２×ｍ） ・・・ （式４）
但し、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、Ｂは磁場強度
によって設定されている請求項３０に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれかに記載のイオンビーム発生装置を用いて、特定イオンの平行なイオンビームからなるイオンビーム束を出力させるイオンビーム発生方法。
【請求項３３】
請求項１〜３１のいずれかに記載のイオンビーム発生装置を用いて不純物イオン注入が為された領域を形成する工程を含む機能素子の製造方法。
【請求項１】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、
該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているイオンビーム発生装置。
【請求項２】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機は、内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有しており、
該質量分離機の出口部において特定の傾斜角を持つイオンビームを優先的に通過させるように、該出口部に直線状の内壁面を有するケーシング部材が設けられているイオンビーム発生装置。
【請求項３】
前記ケーシング部材は前記質量分離機の出口部と連接しており、前記イオンビームの進行方向における該ケーシング部材の該直線状の内壁面の長さＬは、該質量分離機の出口部の、前記内径側から外径側に向かう径方向における幅以上で、装置設置スペースで許される範囲内の寸法である請求項１または２に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】
前記長さＬは前記幅の２倍から５倍である請求項３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項５】
質量分離機で磁場を与えて複数種類のイオンの各イオンビームの軌道を湾曲させることにより、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とするイオンビーム発生装置において、
該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って該イオンビームの軌道半径が大きくなるように、該イオンビームの、該内径側から外径側に向かう径方向における入射位置に応じて該イオンビームの湾曲度を変化させるビーム湾曲度変化手段を有し、
該ビーム湾曲度変化手段は、該質量分離機の内径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、該質量分離機の外径側の外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、該イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、該イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されているイオンビーム発生装置。
【請求項６】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記質量分離機は、該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な方向の前記磁場を与えて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする請求項１、２および５のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項７】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、
該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段と、
該イオンビーム引出手段から引き出された該イオンビーム束に対して、該第１方向および該イオンビーム束の進行方向に垂直な第２方向の磁場を与えて、該イオンビーム束を構成する各イオンビームの軌道を湾曲させて、該複数種類のイオンから特定種類のイオンを分離抽出し、該特定種類のイオンのイオンビームを出力可能とする質量分離機とを備え、
該イオンビーム引出手段は、該第２方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するビーム初速勾配生成手段を有するイオンビーム発生装置。
【請求項８】
前記質量分離機から出力される前記特定種類のイオンのイオンビームは、互いに略平行な複数本のイオンビームで、該複数本のイオンビームは、前記内径側から外径側に向かう径方向における前記質量分離機の出口部の幅と等しい幅のイオンビーム束を構成している請求項１、２および５〜７のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項９】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って前記磁場が小さくなるように磁場勾配を付与する磁場勾配生成手段である請求項１、２および５のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１０】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
電流値×ターン数が該内側コイルよりも該外側コイルの方が小さい請求項１、２および９のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１１】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
該内側コイルと該外側コイルのターン数が同じで、該外側コイルに流れる電流値が該内側コイルに流れる電流値よりも小さく設定されている請求項１、２、９および１０のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１２】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機の内径側外周壁面および外径側外周壁面にそれぞれ配置された内側コイルと外側コイルとを有し、
該内側コイルと該外側コイルに流れる電流値が同じで、該外側コイルのターン数が該内側コイルのターン数よりも少なく設定されている請求項１、２，９および１０のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１３】
前記磁場勾配生成手段は、
前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の内径側導体と、
該質量分離機の外径側外周壁面に沿って複数本配置された円弧状の外径側導体とを有し、
前記イオンビームに磁場を付与する該外径側導体の有効本数が、前記イオンビームに磁場を付与する該内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１４】
前記複数本の外径側導体のうちの一部の外径側導体に磁気シールドが施されて、該外径側導体の有効本数が前記内径側導体の有効本数よりも少なく構成されている請求項１３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１５】
前記外径側導体の本数が前記内径側導体の本数よりも少なく構成されている請求項１３に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１６】
前記磁場勾配生成手段は、
前記質量分離機の内径側外周壁面に沿って配置された円弧状の内径側導体を有する内径側磁気回路と、
該質量分離機の外径側外周壁面に沿って配置された円弧状の外径側導体を有する外径側磁気回路とを備え、
該外径側磁気回路の磁気抵抗値が該内径側磁気回路の磁気抵抗値よりも大きく構成されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１７】
前記外径側磁気回路の磁路長が前記内径側磁気回路の磁路長よりも長く構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１８】
前記外径側磁気回路の磁路断面積が前記内径側磁気回路の磁路断面積よりも小さく構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１９】
前記外径側磁気回路および前記内径側磁気回路はヨーク部材を有し、
前記外径側磁気回路のヨーク部材が前記内径側磁気回路のヨーク部材よりも低透磁率の材料によって構成されている請求項１６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２０】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、
前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とがそれぞれ１本毎に、該接続用導体を介して、該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続され、そのことによってソレノイドコイルが構成されている請求項１３、１４および１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２１】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを順次接続する各接続用導体を更に有し、
前記複数本の外径側導体と前記複数本の内径側導体とが、該接続用導体→該外径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該内径側導体→該接続用導体→該外径側導体・・・の順に順次連続的に接続されてソレノイドコイルが構成されている請求項１３、１５および１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２２】
前記磁場勾配生成手段は、前記外径側導体と前記内径側導体とを接続する各接続用導体を更に有し、
該外径側導体と該内径側導体とが１本ずつ該接続用導体で接続されて１ループ電流路が複数構成されている請求項１３〜１６のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２３】
前記磁場勾配生成手段は、前記質量分離機の前記磁場方向の両端面側にそれぞれ磁極が配置され、該質量分離機の内径側ほど前記磁場が大きくなるように構成された補助マグネットを有する請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２４】
前記磁場勾配を有する磁場Ｂ（ｒ）は、
Ｂ（ｒ）＝Ｂ（ｒｃ）×（ｒｃ／ｒ） ・・・ （式１）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている請求項９に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２５】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心の磁場Ｂ（ｒｃ）は、
Ｂ（ｒｃ）＝（２×Ｖ×ｍ／ｑ）０．５／ｒｃ ・・・ （式２）
但し、Ｖはイオン源と該イオンビーム引出手段との間に印加される電圧の絶対値、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、
によって設定されている請求項２４に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２６】
前記ビーム湾曲度変化手段は、前記質量分離機に入射されるイオンビーム束の各イオンビームにおけるイオンの飛来速度が、前記質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きくなるように、速度勾配を付与するビーム初速勾配生成手段である請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２７】
前記ビーム初速勾配生成手段は、前記質量分離機の内径側から外径側に向かう第１方向に垂直な方向に延在し、該第１方向に間隔を隔てて並べられた複数の引出電極が設けられ、
該複数の引出電極のそれぞれに、該第１方向における該引出電極の位置に応じて、該質量分離機の内径側から外径側に向かうに従って大きな負電圧を印加するように構成されている請求項２６に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２８】
前記複数の引出電極はそれぞれ、抵抗体を介して直列接続されており、抵抗分割によって前記電圧を印加する請求項７または２７に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項２９】
複数種類のイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成された該複数種類のイオンを、第１方向に所定幅を有するイオンビーム束として引き出すイオンビーム引出手段とを更に有し、
前記ビーム初速勾配生成手段は、該イオンビーム引出手段に設けられている請求項２６〜２８のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３０】
前記複数本の引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒ）は、
Ｖ（ｒ）＝Ｖ（ｒｃ）×（ｒ／ｒｃ）２ ・・・ （式３）
但し、ｒは前記質量分離機の外径および内径の曲率中心を原点（ｒ＝０）としたときの径方向の座標位置、ｒ＝ｒｃは、該質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心のｒ座標、
によって設定されている請求項２６〜２９のいずれかに記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３１】
前記質量分離機において前記イオンビームが通過する内部空間における径方向中心に位置する、前記引出電極に印加される電圧の絶対値Ｖ（ｒｃ）は、
Ｖ（ｒｃ）＝ｑ×（Ｂ×ｒｃ）２／（２×ｍ） ・・・ （式４）
但し、ｍは前記特定のイオンの質量、ｑは前記特定のイオンの電荷、Ｂは磁場強度
によって設定されている請求項３０に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれかに記載のイオンビーム発生装置を用いて、特定イオンの平行なイオンビームからなるイオンビーム束を出力させるイオンビーム発生方法。
【請求項３３】
請求項１〜３１のいずれかに記載のイオンビーム発生装置を用いて不純物イオン注入が為された領域を形成する工程を含む機能素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００６−３４４５６６（Ｐ２００６−３４４５６６Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７１７１３（Ｐ２００５−１７１７１３）
【出願日】平成１７年６月１０日（２００５．６．１０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１０日（２００５．６．１０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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