イオン照射装置
【課題】 低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ平行性良く取り出すことができる装置を提供する。
【解決手段】 このイオン照射装置は、複数のイオン引出しスリットを有するイオン源２０と、それから引き出されたイオンビーム３０を曲げて質量分離を行う質量分離電磁石３２とを備えている。質量分離電磁石３２は、平面形状が湾曲しているビーム偏向領域４０を有していて、当該領域４０における磁束密度Ｂは、入口部４２からのビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって質量分離電磁石３２は、ビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに平行に入射したイオンビーム３０を、出口部４４において集束させ、かつ互いに平行な状態で出射させるよう構成されている。
【解決手段】 このイオン照射装置は、複数のイオン引出しスリットを有するイオン源２０と、それから引き出されたイオンビーム３０を曲げて質量分離を行う質量分離電磁石３２とを備えている。質量分離電磁石３２は、平面形状が湾曲しているビーム偏向領域４０を有していて、当該領域４０における磁束密度Ｂは、入口部４２からのビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって質量分離電磁石３２は、ビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに平行に入射したイオンビーム３０を、出口部４４において集束させ、かつ互いに平行な状態で出射させるよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばイオン注入装置等のように、被照射物にイオンビームを照射することに用いられるイオン照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン照射装置の一例であるイオン注入装置を例に説明すると、大型基板（被照射物）の表面により微細な半導体デバイスを高い処理能力（高スループット）で形成する等のためには、低エネルギー（例えば５ｋｅＶ程度以下）のイオンビームを多量に被照射物に照射してイオン注入を行うことができるイオン注入装置が必要である。
【０００３】
このような必要性を満たすことができる技術の一つとして、特許文献１には、複数のイオン引出しスリットを有するイオン源と、このイオン源から引き出されたイオンビームから特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン注入装置が提案されている。
【０００４】
上記イオン源（特許文献１中のイオン源アセンブリ）は、プラズマを生成する部分であって、互いに平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部（特許文献１中のイオン源）と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えている。
【０００５】
上記質量分離電磁石（特許文献１中の磁気セクタ質量分析器）は、上記イオン源から引き出されたイオンビームを、そのプラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出するものである。
【０００６】
周知のイオン源のようにイオン引出しスリットを１個にしておいて単にそのサイズを大きくしてイオンビーム量を大きくしようとすると、イオン引出しスリット周りの引出し電界が大きく歪むので、イオンビームの発散が大きくなるのに対して、上記イオン源のようにイオン引出しスリットを複数にすることによって、イオンビームの発散を抑制しつつ、多量のイオンビームを引き出すことが可能になる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３９９４４号公報（段落０００９−００１１、図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記イオン注入装置を構成する質量分離電磁石は、上記イオン源から導入された幅の広いイオンビームを、当該電磁石の出口部から下流側に離れて設けられた質量選択スリットの位置で焦点を結ぶようにイオンビームを曲げるものであり（特許文献１中の段落００３６、図１参照）、従って当該焦点よりも下流側に進むにつれてイオンビームは徐々に広がる。
【０００９】
上記のように広がるイオンビームは、換言すれば平行性の悪いイオンビームは、被照射物の処理に好ましくない結果をもたらす。
【００１０】
例えば、被照射物の表面に溝（または孔。以下同様）を有する場合、例えば図１に示す例のように、溝８を有するレジスト膜６を半導体基板４の表面に形成して成る被照射物２にイオンビーム１０を照射してイオン注入を行う場合、イオンビーム１０の平行性が悪いと、溝８の部分に陰の部分１２が生じてしまい、しかも陰の部分の大きさが被照射物２の面内において互いに異なり、従って所望のイオン注入を行うことができなくなる。
【００１１】
また、上記のように平行性の悪いイオンビームを輸送すると、ビーム輸送系の限られた空間内においてイオンビームが構造物に当たってスパッタしやすくなり、その結果、スパッタによって飛び出した不所望イオン種および不所望エネルギーのイオンがイオンビーム中に混入しやすくなる。即ち、イオン種およびエネルギーのコンタミネーション（汚染）が多くなる。
【００１２】
そこでこの発明は、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ平行性良く質量分離電磁石の下流側へ取り出すことができる装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る第１のイオン照射装置は、プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴としている。
【００１４】
上記イオン照射装置によれば、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するイオン源を備えているので、高エネルギーのイオンビームは勿論のこと、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ発散を抑えて平行性良く引き出すことができる。
【００１５】
しかも、前記質量分離電磁石は、そのビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、出口部において集束させ、かつ出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されているので、イオンビームを平行性良く下流側へ取り出すことができる。
【００１６】
この発明に係る第２のイオン照射装置は、プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴としている。
【００１７】
前記質量分離電磁石の磁極間においては、そこでの磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には次式の関係があるので、即ち磁束密度Ｂとギャップ長ｇとは反比例の関係にあるので、ギャップ長ｇを上記のように設定することによっても、前記第１のイオン照射装置を構成する質量分離電磁石の場合と同様の作用を奏する。数１において、Ｆはコイルの起磁力、μ0 は真空の透磁率、ｋ1 は定数である。
【００１８】
［数１］
Ｂｇ＝Ｆμ0 ＝ｋ1
【００１９】
前記質量分離電磁石は、そのビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、当該ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成しておいても良い。
【００２０】
前記質量分離電磁石の出口部の下流側付近に、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリットを設けておいても良い。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１〜４に記載の発明によれば、前記のような複数のイオン引出しスリットを有するイオン源および前記のようなビーム偏向を行う質量分離電磁石を備えているので、高エネルギーのイオンビームは勿論のこと、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ平行性良く質量分離電磁石の下流側へ取り出すことができる。
【００２２】
即ち、平行性が良くて被照射物表面の溝や孔に陰の部分を作らず、かつイオン種およびエネルギーのコンタミネーションの少ない良質のイオンビームを多く取り出すことができるので、被照射物に対して良質の処理を施すことができると共に、そのようなイオンビームを多量に取り出すことができるので、被照射物処理のスループット（単位時間当たりの処理能力）を高めることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、前記のような質量分離スリットを設けているので、当該スリットが前記質量分離電磁石と協働して、イオンビームの質量分離性能をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図２は、この発明に係るイオン照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。なお、これ以降の幾つかの図中には、各機器等の三次元空間における向きの例を示すために、一点で互いに直交する三軸、即ちＸ軸（例えば水平軸）、Ｙ軸（例えば垂直軸）およびＺ軸（例えば水平軸）を図示しており、必要に応じてこれらを参照して説明する。
【００２５】
このイオン照射装置は、イオン源２０から引き出したイオンビーム３０を、質量分離電磁石３２において曲げて特定のイオン種を選別して導出し、更に質量分離スリット５２を通した後、必要に応じて図示しない加速器、走査器等を経由して、ホルダ１４に保持された被照射物（例えば半導体基板）２に照射して、当該被照射物２にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。なお、イオンビーム３０が通る経路は、図示しない真空容器内にあり、真空雰囲気に保たれる。
【００２６】
イオン源２０は、図３に示す例のように、アーク放電、高周波放電、マイクロ波放電等によってガスや蒸気を電離させてプラズマを生成するプラズマ生成部２２と、このプラズマ生成部２２から（より具体的にはその内部のプラズマから）電界の作用でイオンビーム３０を引き出す引出し電極系２６とを備えている。
【００２７】
プラズマ生成部２２は、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリット２４を有している。より具体的には、各イオン引出しスリット２４は、Ｙ軸方向に長くＸ軸方向に短い形状（例えば長方形状、長円形状等）をしており、このような複数のイオン引出しスリット２４を、各イオン引出しスリット２４の長辺（または長軸）が互いに実質的に平行になるように、各イオン引出しスリット２４の短辺（または短軸）方向（この例ではＸ軸方向）に並べている。
【００２８】
引出し電極系２６は、図示例では１枚の電極で構成されているが、これに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。この引出し電極系２６も、プラズマ生成部２２の各イオン引出しスリット２４に対応する位置に、各イオン引出しスリット２４に対応する形状の複数のイオン引出しスリット２８を有している。この引出し電極系２６の各イオン引出しスリット２８から、断面がイオン引出しスリット２８の形状に対応した形状のイオンビーム３０が、矢印Ａ1 方向（この例ではＺ軸方向）に互いに実質的に平行な状態で引き出される。即ち、イオン源２０の複数箇所から、イオンビーム３０が互いに実質的に平行な状態で引き出され、これが質量分離電磁石３２に入射される。
【００２９】
図２を再び参照して、質量分離電磁石３２は、イオン源２０から入射されたイオンビーム３０を、イオン源２０のイオン引出しスリット２４、２８と実質的に直交する面内（この例ではＸ−Ｚ面内）で磁場４６によって曲げる領域であって、当該面内における平面形状が例えば半円形状または扇状等に湾曲しているビーム偏向領域４０を有している。
【００３０】
上記質量分離電磁石３２のより具体例を図４および図５に示す。図４は、図２中の質量分離電磁石の一例を示す概略縦断面図である。図５は、図４の線Ｃ1 −Ｃ1 に沿う概略横断面図であり、コイルの図示は省略している。
【００３１】
この質量分離電磁石３２は、縦断面形状がＣ形をした鉄芯３４と、この鉄芯３４の両端部にあってギャップをあけて相対向していて上記ビーム偏向領域４０を形成する一対の磁極３６と、鉄芯３４を励磁するコイル３８とを備えている。この相対向する磁極３６間に前記磁場４６が形成され、かつ前記イオン源２０からイオンビーム３０が導入される。
【００３２】
上記質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０における磁束密度Ｂは、当該ビーム偏向領域４０の入口部４２からのイオンビーム進行方向への角度α（図５参照）が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域４０の湾曲の外側へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって質量分離電磁石３２は、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されている。
【００３３】
質量分離電磁石３２の磁極３６間においては、そこでの磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には前記数１の関係があるので、即ち磁束密度Ｂとギャップ長ｇとは反比例の関係にあるので、ビーム偏向領域４０における上記のような磁束密度Ｂの分布を実現する一手段として、ギャップ長ｇを図３、図４に示す例のように設定しても良い。
【００３４】
即ちこの質量分離電磁石３２では、その磁極３６間のギャップ長ｇは、ビーム偏向領域４０の入口部４２からのイオンビーム進行方向への角度αが大きくなるに従って小さくなり、かつビーム偏向領域４０の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによってこの質量分離電磁石３２は、ビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されている。
【００３５】
一例として、上記のようにギャップ長ｇを変化させた質量分離電磁石３２の図５中の線Ｏ−Ｒ1 に沿う磁極３６の断面を図４中に実線４８で示し、線Ｏ−Ｒ2 に沿う磁極３６の断面を図４中に一点鎖線５０で示す。
【００３６】
上記イオン照射装置によれば、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリット２４、２８を有するイオン源２０を備えているので、高エネルギーのイオンビーム３０は勿論のこと、低エネルギーのイオンビーム３０でも、多量にかつ発散を抑えて平行性良く引き出すことができる。
【００３７】
しかも、質量分離電磁石３２は、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されているので、イオンビーム３０を平行性良く下流側へ取り出すことができる。
【００３８】
即ち、平行性が良くて被照射物２の表面の溝や孔に図１に示したような陰の部分１２を作らず、かつイオン種およびエネルギーのコンタミネーションの少ない良質なイオンビーム３０を多く取り出すことができるので、被照射物２に対して良質の処理を施すことができると共に、そのようなイオンビーム３０を多量に取り出すことができるので、被照射物２の処理のスループット（単位時間当たりの処理能力）を高めることができる。
【００３９】
なお、上記質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０に入り出て行くイオンビーム３０の特性を定量的に表現すると、上記質量分離電磁石３２は、例えば、図５を参照して、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から入射したイオンビーム量の過半が進行方向Ａ1 に対して±４度以内になるような平行状態で入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４でのイオンビーム偏向面内における幅Ｗ2 が入口部の幅Ｗ1 の１／５以下になるように集束させ、かつ出口部４４からイオンビーム量の過半が進行方向Ａ2 に対して±６度以内に入るような状態で出射させるよう構成しておいても良い。
【００４０】
また、図２を参照して、質量分離電磁石３２の出口部４４の下流側付近に、この例のように、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリット５２を設けておくのが好ましい。そのようにすると、当該質量分離スリット５２と質量分離電磁石３２とが協働して、イオンビーム３０の質量分離性能（質量分解能）をより向上させることができる。
【００４１】
次に、質量分離電磁石３２（より具体的にはそのビーム偏向領域４０。以下同様）において、イオンビーム３０を上記のように出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させることを実現する磁束密度Ｂのより具体的な設定の仕方を図６および図７を参照して説明する。
【００４２】
図６は、入口部角度θ1 、出口部角度θ2 の質量分離電磁石における磁束密度とビーム軌道との関係を説明するための図である。図７は、図６の質量分離電磁石におけるビーム軌道角度θとビーム軌道半径ｒ等との関係を説明するための図である。いずれも、ビーム偏向領域４０の入口部４２および出口部４４が、基準線（直線）６０からの入口部角度θ1 および出口部角度θ2 をそれぞれ持っている一般的な場合のものである。なお、図５に示した質量分離電磁石３２は、この入口部角度θ1 が０度、出口部角度θ2 が１８０度の場合の例である。Ｏは中心点である。
【００４３】
今、質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０における磁束密度をＢ、イオンビーム３０の軌道半径をｒ、ビーム偏向領域４０における前記基準線６０からのビーム軌道角度をθ、イオンビーム３０を構成する所望のイオンの質量をｍ、電荷をｅ、イオンビーム３０のエネルギーをＥ、ビーム偏向領域４０の入口部４２の内側位置でのイオンビーム３０の軌道半径をｒa 、同外側位置での軌道半径をｒc 、ビーム偏向領域４０の出口部４４でのイオンビーム３０の軌道半径をｒb とする。
【００４４】
以上の内で、磁束密度Ｂおよびビーム軌道半径ｒ以外は既知であり、磁束密度Ｂはビーム軌道角度θの関数で表すと以下のようになる。
【００４５】
磁束密度Ｂの磁場中でのイオンビーム３０の軌道半径ｒは一般的に次式で表される。
【００４６】
［数２］
Ｂｒ＝ｅ-1√（２ｍＥ）
【００４７】
質量分離電磁石３２の出口部４４から出るイオンビーム３０が集束され、かつ互いに平行であるためには、図７に示すような、ビーム軌道半径ｒを縦軸、ビーム軌道角度θを横軸とする平面において、ｒa およびｒb を通る直線６８に、ｒc およびｒb を通る円弧７０がｒb において接すれば良いので、円弧７０の中心Ｐの座標を（θk 、ｒk ）とし、半径をｎとすれば、次の数３およびそれを変形した数４が成立する。
【００４８】
［数３］
（ｒ−ｒk ）2 ＋（θ−θk ）2 ＝ｎ2
【００４９】
［数４］
ｒ＝ｒk ＋√｛ｎ2 −（θ−θk ）2 ｝
【００５０】
一方、ｒa ＝ｒb とした場合のｒa およびｒb を通る直線６６からの上記直線６８の傾斜角をψ（プサイ）とすると、次の数５およびそれを変形した数６が成立する。
【００５１】
［数５］
ｔａｎψ＝（ｒb −ｒa ）／（θ2 −θ1 ）
【００５２】
［数６］
ψ＝ｔａｎ-1｛（ｒb −ｒa ）／（θ2 −θ1 ）｝
【００５３】
上記中心Ｐの座標の各成分は次式で表される。
【００５４】
［数７］
θk ＝θ2 ＋ｎ・ｓｉｎψ
【００５５】
［数８］
ｒk ＝ｒb ＋ｎ・ｃｏｓψ
【００５６】
円弧７０がｒc を通ることにより、数３のｒにｒc を代入し、θにθ1 を代入すると次式が得られる。
【００５７】
［数９］
（ｒc −ｒk ）2 ＋（θ1 −θk ）2 ＝ｎ2
【００５８】
上記式に数７のθk および数８のｒk を代入すると次式となる。
【００５９】
［数１０］
（ｒc −ｒb −ｎ・ｃｏｓψ）2 ＋（θ1 −θ2 −ｎ・ｓｉｎψ）2 ＝ｎ2
【００６０】
上記式を変形し、（ｃｏｓψ）2 ＋（ｓｉｎψ）2 ＝１を適用すると、ｎ2 に関する項は消え、次の数１１およびそれを変形した数１２が得られる。
【００６１】
［数１１］
（ｒc −ｒb ）2 ＋（θ1 −θ2 ）2 ＝２ｎ｛（ｒc −ｒb ）ｃｏｓψ＋（θ1 −θ2 ）ｓｉｎψ｝
【００６２】
［数１２］
ｎ＝｛（ｒc −ｒb ）2 ＋（θ1 −θ2 ）2 ｝／２｛（ｒc −ｒb ）ｃｏｓψ＋（θ1 −θ2 ）ｓｉｎψ｝
【００６３】
また、上記数２と数４とから次式が導かれる。
【００６４】
［数１３］
Ｂ＝ｅ-1√（２ｍＥ）／［ｒk ＋√｛ｎ2 −（θ−θk ）2 ｝］
【００６５】
上記数１２の半径ｎは既知の値から成り、その結果、数１３の磁束密度Ｂは、ビーム軌道角度θの変数のみに依存する関係になる。即ち、数１３の磁束密度Ｂは、ビーム軌道角度θを除き、既知（条件設定）の数値から構成されている。従って、上記数１３に従って、質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０の各位置における磁束密度Ｂを（即ち磁束密度Ｂの分布を）設定することにより、前述したような質量分離電磁石３２を構成することができる。
【００６６】
また、磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には前記数１の関係があるので、上記のようにして磁束密度Ｂが定まれば、そのような磁束密度Ｂを実現するギャップ長ｇを設定することができる。
【００６７】
なお、実際の質量分離電磁石３２の製作に当たっては、上記数１３で表される磁束密度Ｂや、それと数１とから定まるギャップ長ｇについては、必ずしも上記数式どおりの値に設定される必要はなく、製作上の通常の誤差が許容されることは勿論である。次に示す例においても同様である。
【００６８】
上記例は、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の（より具体的にはその前記ビーム偏向領域４０の。以下同様）入口部４２および出口部４４に直角に入出射（入射および出射）する場合のものである。そこで次に、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない、より一般的な場合の例を、前記図６に対応する図８を参照して、上記例との相違点を主体に説明する。
【００６９】
今、質量分離電磁石３２の入口部４２に入射するイオンビーム３０の前記軌道半径ｒa 、ｒc の点から前記基準線６０に下ろした垂線７１、７２と当該基準線６０との交点をそれぞれｈ、ｉとし、質量分離電磁石３２の出口部４４から出射するイオンビーム３０の前記軌道半径ｒb の点から前記基準線６０に下ろした垂線７３と当該基準線６０との交点をｊとする。また、入射イオンビーム３０が垂線７１、７２と成す角度をβとし（入射イオンビームは互いに実質的に平行であるから一つの角度βとなる）、出射イオンビーム３０が垂線７３と成す角度をγとする。
【００７０】
点ｒa 、ｒc をそれぞれ通り入射イオンビーム３０にそれぞれ直交する直線７５、７６が、前記中心点Ｏにおいて基準線６０と直交する直線７４とそれぞれ交わる点をｓ、ｔとし、点ｒa −ｓ間の距離をｒa1とし、点ｒc −ｔ間の距離をｒc1とする。同様に、点ｒb を通り出射イオンビーム３０に直交する直線７７が直線７４と交わる点をｕとし、点ｒb −ｕ間の距離をｒb1とする。そして以下において、上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1をそれぞれ表す式を求める。
【００７１】
まず軌道半径ｒa の入射イオンビーム３０の部分について考えると、次式が成立する。
【００７２】
［数１４］
Ｏｈ＝ｒa ・ｃｏｓθ1 ＝ｒa1・ｃｏｓβ
∴ｒa1＝ｒa ・ｃｏｓθ1 ／ｃｏｓβ
【００７３】
同様に、軌道半径ｒc の入射イオンビーム３０の部分について考えると次の数１５が成立し、軌道半径ｒb の出射イオンビーム３０の部分について考えると次の数１６が成立する。
【００７４】
［数１５］
Ｏｉ＝ｒc ・ｃｏｓθ1 ＝ｒc1・ｃｏｓβ
∴ｒc1＝ｒc ・ｃｏｓθ1 ／ｃｏｓβ
【００７５】
［数１６］
Ｏｊ＝ｒb ・ｃｏｓ（１８０−θ2 ）＝ｒb1・ｃｏｓγ
∴ｒb1＝ｒb ・ｃｏｓ（１８０−θ2 ）／ｃｏｓγ
【００７６】
上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1は、それぞれ、前記軌道半径ｒa 、ｒc 、ｒb を一般化して表したものである。そこで、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない場合は、先に（即ち数１３以前に）示した軌道半径ｒa 、ｒc 、ｒb を、それぞれ、上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1で読み替えれば（置き換えれば）良い。それによって、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない、より一般的な場合の前記磁束密度Ｂやギャップ長ｇを求めて設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】被照射物に平行性の悪いイオンビームが入射する状態の一例を示す概略断面図である。
【図２】この発明に係るイオン照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。
【図３】図２中のイオン源の一例を示す概略斜視図である。
【図４】図２中の質量分離電磁石の一例を示す概略縦断面図である。
【図５】図４の線Ｃ1 −Ｃ1 に沿う概略横断面図であり、コイルの図示は省略している。
【図６】入口部角度θ1 、出口部角度θ2 の質量分離電磁石における磁束密度とビーム軌道との関係を説明するための図である。
【図７】図６の質量分離電磁石におけるビーム軌道角度θとビーム軌道半径ｒ等との関係を説明するための図である。
【図８】イオンビームが質量分離電磁石の入口部および出口部に直角に入射しない、より一般的な場合を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７８】
２０ イオン源
２２ プラズマ生成部
２４ イオン引出しスリット
２６ 引出し電極系
２８ イオン引出しスリット
３０ イオンビーム
３２ 質量分離電磁石
３６ 磁極
４０ ビーム偏向領域
４２ 入口部
４４ 出口部
５２ 質量分離スリット
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばイオン注入装置等のように、被照射物にイオンビームを照射することに用いられるイオン照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン照射装置の一例であるイオン注入装置を例に説明すると、大型基板（被照射物）の表面により微細な半導体デバイスを高い処理能力（高スループット）で形成する等のためには、低エネルギー（例えば５ｋｅＶ程度以下）のイオンビームを多量に被照射物に照射してイオン注入を行うことができるイオン注入装置が必要である。
【０００３】
このような必要性を満たすことができる技術の一つとして、特許文献１には、複数のイオン引出しスリットを有するイオン源と、このイオン源から引き出されたイオンビームから特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン注入装置が提案されている。
【０００４】
上記イオン源（特許文献１中のイオン源アセンブリ）は、プラズマを生成する部分であって、互いに平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部（特許文献１中のイオン源）と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えている。
【０００５】
上記質量分離電磁石（特許文献１中の磁気セクタ質量分析器）は、上記イオン源から引き出されたイオンビームを、そのプラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出するものである。
【０００６】
周知のイオン源のようにイオン引出しスリットを１個にしておいて単にそのサイズを大きくしてイオンビーム量を大きくしようとすると、イオン引出しスリット周りの引出し電界が大きく歪むので、イオンビームの発散が大きくなるのに対して、上記イオン源のようにイオン引出しスリットを複数にすることによって、イオンビームの発散を抑制しつつ、多量のイオンビームを引き出すことが可能になる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３９９４４号公報（段落０００９−００１１、図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記イオン注入装置を構成する質量分離電磁石は、上記イオン源から導入された幅の広いイオンビームを、当該電磁石の出口部から下流側に離れて設けられた質量選択スリットの位置で焦点を結ぶようにイオンビームを曲げるものであり（特許文献１中の段落００３６、図１参照）、従って当該焦点よりも下流側に進むにつれてイオンビームは徐々に広がる。
【０００９】
上記のように広がるイオンビームは、換言すれば平行性の悪いイオンビームは、被照射物の処理に好ましくない結果をもたらす。
【００１０】
例えば、被照射物の表面に溝（または孔。以下同様）を有する場合、例えば図１に示す例のように、溝８を有するレジスト膜６を半導体基板４の表面に形成して成る被照射物２にイオンビーム１０を照射してイオン注入を行う場合、イオンビーム１０の平行性が悪いと、溝８の部分に陰の部分１２が生じてしまい、しかも陰の部分の大きさが被照射物２の面内において互いに異なり、従って所望のイオン注入を行うことができなくなる。
【００１１】
また、上記のように平行性の悪いイオンビームを輸送すると、ビーム輸送系の限られた空間内においてイオンビームが構造物に当たってスパッタしやすくなり、その結果、スパッタによって飛び出した不所望イオン種および不所望エネルギーのイオンがイオンビーム中に混入しやすくなる。即ち、イオン種およびエネルギーのコンタミネーション（汚染）が多くなる。
【００１２】
そこでこの発明は、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ平行性良く質量分離電磁石の下流側へ取り出すことができる装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る第１のイオン照射装置は、プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴としている。
【００１４】
上記イオン照射装置によれば、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するイオン源を備えているので、高エネルギーのイオンビームは勿論のこと、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ発散を抑えて平行性良く引き出すことができる。
【００１５】
しかも、前記質量分離電磁石は、そのビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、出口部において集束させ、かつ出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されているので、イオンビームを平行性良く下流側へ取り出すことができる。
【００１６】
この発明に係る第２のイオン照射装置は、プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴としている。
【００１７】
前記質量分離電磁石の磁極間においては、そこでの磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には次式の関係があるので、即ち磁束密度Ｂとギャップ長ｇとは反比例の関係にあるので、ギャップ長ｇを上記のように設定することによっても、前記第１のイオン照射装置を構成する質量分離電磁石の場合と同様の作用を奏する。数１において、Ｆはコイルの起磁力、μ0 は真空の透磁率、ｋ1 は定数である。
【００１８】
［数１］
Ｂｇ＝Ｆμ0 ＝ｋ1
【００１９】
前記質量分離電磁石は、そのビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、当該ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成しておいても良い。
【００２０】
前記質量分離電磁石の出口部の下流側付近に、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリットを設けておいても良い。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１〜４に記載の発明によれば、前記のような複数のイオン引出しスリットを有するイオン源および前記のようなビーム偏向を行う質量分離電磁石を備えているので、高エネルギーのイオンビームは勿論のこと、低エネルギーのイオンビームでも、多量にかつ平行性良く質量分離電磁石の下流側へ取り出すことができる。
【００２２】
即ち、平行性が良くて被照射物表面の溝や孔に陰の部分を作らず、かつイオン種およびエネルギーのコンタミネーションの少ない良質のイオンビームを多く取り出すことができるので、被照射物に対して良質の処理を施すことができると共に、そのようなイオンビームを多量に取り出すことができるので、被照射物処理のスループット（単位時間当たりの処理能力）を高めることができる。
【００２３】
請求項５に記載の発明によれば、前記のような質量分離スリットを設けているので、当該スリットが前記質量分離電磁石と協働して、イオンビームの質量分離性能をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図２は、この発明に係るイオン照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。なお、これ以降の幾つかの図中には、各機器等の三次元空間における向きの例を示すために、一点で互いに直交する三軸、即ちＸ軸（例えば水平軸）、Ｙ軸（例えば垂直軸）およびＺ軸（例えば水平軸）を図示しており、必要に応じてこれらを参照して説明する。
【００２５】
このイオン照射装置は、イオン源２０から引き出したイオンビーム３０を、質量分離電磁石３２において曲げて特定のイオン種を選別して導出し、更に質量分離スリット５２を通した後、必要に応じて図示しない加速器、走査器等を経由して、ホルダ１４に保持された被照射物（例えば半導体基板）２に照射して、当該被照射物２にイオン注入等の処理を施すよう構成されている。なお、イオンビーム３０が通る経路は、図示しない真空容器内にあり、真空雰囲気に保たれる。
【００２６】
イオン源２０は、図３に示す例のように、アーク放電、高周波放電、マイクロ波放電等によってガスや蒸気を電離させてプラズマを生成するプラズマ生成部２２と、このプラズマ生成部２２から（より具体的にはその内部のプラズマから）電界の作用でイオンビーム３０を引き出す引出し電極系２６とを備えている。
【００２７】
プラズマ生成部２２は、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリット２４を有している。より具体的には、各イオン引出しスリット２４は、Ｙ軸方向に長くＸ軸方向に短い形状（例えば長方形状、長円形状等）をしており、このような複数のイオン引出しスリット２４を、各イオン引出しスリット２４の長辺（または長軸）が互いに実質的に平行になるように、各イオン引出しスリット２４の短辺（または短軸）方向（この例ではＸ軸方向）に並べている。
【００２８】
引出し電極系２６は、図示例では１枚の電極で構成されているが、これに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。この引出し電極系２６も、プラズマ生成部２２の各イオン引出しスリット２４に対応する位置に、各イオン引出しスリット２４に対応する形状の複数のイオン引出しスリット２８を有している。この引出し電極系２６の各イオン引出しスリット２８から、断面がイオン引出しスリット２８の形状に対応した形状のイオンビーム３０が、矢印Ａ1 方向（この例ではＺ軸方向）に互いに実質的に平行な状態で引き出される。即ち、イオン源２０の複数箇所から、イオンビーム３０が互いに実質的に平行な状態で引き出され、これが質量分離電磁石３２に入射される。
【００２９】
図２を再び参照して、質量分離電磁石３２は、イオン源２０から入射されたイオンビーム３０を、イオン源２０のイオン引出しスリット２４、２８と実質的に直交する面内（この例ではＸ−Ｚ面内）で磁場４６によって曲げる領域であって、当該面内における平面形状が例えば半円形状または扇状等に湾曲しているビーム偏向領域４０を有している。
【００３０】
上記質量分離電磁石３２のより具体例を図４および図５に示す。図４は、図２中の質量分離電磁石の一例を示す概略縦断面図である。図５は、図４の線Ｃ1 −Ｃ1 に沿う概略横断面図であり、コイルの図示は省略している。
【００３１】
この質量分離電磁石３２は、縦断面形状がＣ形をした鉄芯３４と、この鉄芯３４の両端部にあってギャップをあけて相対向していて上記ビーム偏向領域４０を形成する一対の磁極３６と、鉄芯３４を励磁するコイル３８とを備えている。この相対向する磁極３６間に前記磁場４６が形成され、かつ前記イオン源２０からイオンビーム３０が導入される。
【００３２】
上記質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０における磁束密度Ｂは、当該ビーム偏向領域４０の入口部４２からのイオンビーム進行方向への角度α（図５参照）が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域４０の湾曲の外側へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって質量分離電磁石３２は、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されている。
【００３３】
質量分離電磁石３２の磁極３６間においては、そこでの磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には前記数１の関係があるので、即ち磁束密度Ｂとギャップ長ｇとは反比例の関係にあるので、ビーム偏向領域４０における上記のような磁束密度Ｂの分布を実現する一手段として、ギャップ長ｇを図３、図４に示す例のように設定しても良い。
【００３４】
即ちこの質量分離電磁石３２では、その磁極３６間のギャップ長ｇは、ビーム偏向領域４０の入口部４２からのイオンビーム進行方向への角度αが大きくなるに従って小さくなり、かつビーム偏向領域４０の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによってこの質量分離電磁石３２は、ビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されている。
【００３５】
一例として、上記のようにギャップ長ｇを変化させた質量分離電磁石３２の図５中の線Ｏ−Ｒ1 に沿う磁極３６の断面を図４中に実線４８で示し、線Ｏ−Ｒ2 に沿う磁極３６の断面を図４中に一点鎖線５０で示す。
【００３６】
上記イオン照射装置によれば、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリット２４、２８を有するイオン源２０を備えているので、高エネルギーのイオンビーム３０は勿論のこと、低エネルギーのイオンビーム３０でも、多量にかつ発散を抑えて平行性良く引き出すことができる。
【００３７】
しかも、質量分離電磁石３２は、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビーム３０を、出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されているので、イオンビーム３０を平行性良く下流側へ取り出すことができる。
【００３８】
即ち、平行性が良くて被照射物２の表面の溝や孔に図１に示したような陰の部分１２を作らず、かつイオン種およびエネルギーのコンタミネーションの少ない良質なイオンビーム３０を多く取り出すことができるので、被照射物２に対して良質の処理を施すことができると共に、そのようなイオンビーム３０を多量に取り出すことができるので、被照射物２の処理のスループット（単位時間当たりの処理能力）を高めることができる。
【００３９】
なお、上記質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０に入り出て行くイオンビーム３０の特性を定量的に表現すると、上記質量分離電磁石３２は、例えば、図５を参照して、そのビーム偏向領域４０の入口部４２に複数箇所から入射したイオンビーム量の過半が進行方向Ａ1 に対して±４度以内になるような平行状態で入射したイオンビーム３０を、ビーム偏向領域４０の出口部４４でのイオンビーム偏向面内における幅Ｗ2 が入口部の幅Ｗ1 の１／５以下になるように集束させ、かつ出口部４４からイオンビーム量の過半が進行方向Ａ2 に対して±６度以内に入るような状態で出射させるよう構成しておいても良い。
【００４０】
また、図２を参照して、質量分離電磁石３２の出口部４４の下流側付近に、この例のように、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリット５２を設けておくのが好ましい。そのようにすると、当該質量分離スリット５２と質量分離電磁石３２とが協働して、イオンビーム３０の質量分離性能（質量分解能）をより向上させることができる。
【００４１】
次に、質量分離電磁石３２（より具体的にはそのビーム偏向領域４０。以下同様）において、イオンビーム３０を上記のように出口部４４において集束させ、かつ出口部４４から互いに実質的に平行な状態で出射させることを実現する磁束密度Ｂのより具体的な設定の仕方を図６および図７を参照して説明する。
【００４２】
図６は、入口部角度θ1 、出口部角度θ2 の質量分離電磁石における磁束密度とビーム軌道との関係を説明するための図である。図７は、図６の質量分離電磁石におけるビーム軌道角度θとビーム軌道半径ｒ等との関係を説明するための図である。いずれも、ビーム偏向領域４０の入口部４２および出口部４４が、基準線（直線）６０からの入口部角度θ1 および出口部角度θ2 をそれぞれ持っている一般的な場合のものである。なお、図５に示した質量分離電磁石３２は、この入口部角度θ1 が０度、出口部角度θ2 が１８０度の場合の例である。Ｏは中心点である。
【００４３】
今、質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０における磁束密度をＢ、イオンビーム３０の軌道半径をｒ、ビーム偏向領域４０における前記基準線６０からのビーム軌道角度をθ、イオンビーム３０を構成する所望のイオンの質量をｍ、電荷をｅ、イオンビーム３０のエネルギーをＥ、ビーム偏向領域４０の入口部４２の内側位置でのイオンビーム３０の軌道半径をｒa 、同外側位置での軌道半径をｒc 、ビーム偏向領域４０の出口部４４でのイオンビーム３０の軌道半径をｒb とする。
【００４４】
以上の内で、磁束密度Ｂおよびビーム軌道半径ｒ以外は既知であり、磁束密度Ｂはビーム軌道角度θの関数で表すと以下のようになる。
【００４５】
磁束密度Ｂの磁場中でのイオンビーム３０の軌道半径ｒは一般的に次式で表される。
【００４６】
［数２］
Ｂｒ＝ｅ-1√（２ｍＥ）
【００４７】
質量分離電磁石３２の出口部４４から出るイオンビーム３０が集束され、かつ互いに平行であるためには、図７に示すような、ビーム軌道半径ｒを縦軸、ビーム軌道角度θを横軸とする平面において、ｒa およびｒb を通る直線６８に、ｒc およびｒb を通る円弧７０がｒb において接すれば良いので、円弧７０の中心Ｐの座標を（θk 、ｒk ）とし、半径をｎとすれば、次の数３およびそれを変形した数４が成立する。
【００４８】
［数３］
（ｒ−ｒk ）2 ＋（θ−θk ）2 ＝ｎ2
【００４９】
［数４］
ｒ＝ｒk ＋√｛ｎ2 −（θ−θk ）2 ｝
【００５０】
一方、ｒa ＝ｒb とした場合のｒa およびｒb を通る直線６６からの上記直線６８の傾斜角をψ（プサイ）とすると、次の数５およびそれを変形した数６が成立する。
【００５１】
［数５］
ｔａｎψ＝（ｒb −ｒa ）／（θ2 −θ1 ）
【００５２】
［数６］
ψ＝ｔａｎ-1｛（ｒb −ｒa ）／（θ2 −θ1 ）｝
【００５３】
上記中心Ｐの座標の各成分は次式で表される。
【００５４】
［数７］
θk ＝θ2 ＋ｎ・ｓｉｎψ
【００５５】
［数８］
ｒk ＝ｒb ＋ｎ・ｃｏｓψ
【００５６】
円弧７０がｒc を通ることにより、数３のｒにｒc を代入し、θにθ1 を代入すると次式が得られる。
【００５７】
［数９］
（ｒc −ｒk ）2 ＋（θ1 −θk ）2 ＝ｎ2
【００５８】
上記式に数７のθk および数８のｒk を代入すると次式となる。
【００５９】
［数１０］
（ｒc −ｒb −ｎ・ｃｏｓψ）2 ＋（θ1 −θ2 −ｎ・ｓｉｎψ）2 ＝ｎ2
【００６０】
上記式を変形し、（ｃｏｓψ）2 ＋（ｓｉｎψ）2 ＝１を適用すると、ｎ2 に関する項は消え、次の数１１およびそれを変形した数１２が得られる。
【００６１】
［数１１］
（ｒc −ｒb ）2 ＋（θ1 −θ2 ）2 ＝２ｎ｛（ｒc −ｒb ）ｃｏｓψ＋（θ1 −θ2 ）ｓｉｎψ｝
【００６２】
［数１２］
ｎ＝｛（ｒc −ｒb ）2 ＋（θ1 −θ2 ）2 ｝／２｛（ｒc −ｒb ）ｃｏｓψ＋（θ1 −θ2 ）ｓｉｎψ｝
【００６３】
また、上記数２と数４とから次式が導かれる。
【００６４】
［数１３］
Ｂ＝ｅ-1√（２ｍＥ）／［ｒk ＋√｛ｎ2 −（θ−θk ）2 ｝］
【００６５】
上記数１２の半径ｎは既知の値から成り、その結果、数１３の磁束密度Ｂは、ビーム軌道角度θの変数のみに依存する関係になる。即ち、数１３の磁束密度Ｂは、ビーム軌道角度θを除き、既知（条件設定）の数値から構成されている。従って、上記数１３に従って、質量分離電磁石３２のビーム偏向領域４０の各位置における磁束密度Ｂを（即ち磁束密度Ｂの分布を）設定することにより、前述したような質量分離電磁石３２を構成することができる。
【００６６】
また、磁束密度Ｂとギャップ長ｇとの間には前記数１の関係があるので、上記のようにして磁束密度Ｂが定まれば、そのような磁束密度Ｂを実現するギャップ長ｇを設定することができる。
【００６７】
なお、実際の質量分離電磁石３２の製作に当たっては、上記数１３で表される磁束密度Ｂや、それと数１とから定まるギャップ長ｇについては、必ずしも上記数式どおりの値に設定される必要はなく、製作上の通常の誤差が許容されることは勿論である。次に示す例においても同様である。
【００６８】
上記例は、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の（より具体的にはその前記ビーム偏向領域４０の。以下同様）入口部４２および出口部４４に直角に入出射（入射および出射）する場合のものである。そこで次に、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない、より一般的な場合の例を、前記図６に対応する図８を参照して、上記例との相違点を主体に説明する。
【００６９】
今、質量分離電磁石３２の入口部４２に入射するイオンビーム３０の前記軌道半径ｒa 、ｒc の点から前記基準線６０に下ろした垂線７１、７２と当該基準線６０との交点をそれぞれｈ、ｉとし、質量分離電磁石３２の出口部４４から出射するイオンビーム３０の前記軌道半径ｒb の点から前記基準線６０に下ろした垂線７３と当該基準線６０との交点をｊとする。また、入射イオンビーム３０が垂線７１、７２と成す角度をβとし（入射イオンビームは互いに実質的に平行であるから一つの角度βとなる）、出射イオンビーム３０が垂線７３と成す角度をγとする。
【００７０】
点ｒa 、ｒc をそれぞれ通り入射イオンビーム３０にそれぞれ直交する直線７５、７６が、前記中心点Ｏにおいて基準線６０と直交する直線７４とそれぞれ交わる点をｓ、ｔとし、点ｒa −ｓ間の距離をｒa1とし、点ｒc −ｔ間の距離をｒc1とする。同様に、点ｒb を通り出射イオンビーム３０に直交する直線７７が直線７４と交わる点をｕとし、点ｒb −ｕ間の距離をｒb1とする。そして以下において、上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1をそれぞれ表す式を求める。
【００７１】
まず軌道半径ｒa の入射イオンビーム３０の部分について考えると、次式が成立する。
【００７２】
［数１４］
Ｏｈ＝ｒa ・ｃｏｓθ1 ＝ｒa1・ｃｏｓβ
∴ｒa1＝ｒa ・ｃｏｓθ1 ／ｃｏｓβ
【００７３】
同様に、軌道半径ｒc の入射イオンビーム３０の部分について考えると次の数１５が成立し、軌道半径ｒb の出射イオンビーム３０の部分について考えると次の数１６が成立する。
【００７４】
［数１５］
Ｏｉ＝ｒc ・ｃｏｓθ1 ＝ｒc1・ｃｏｓβ
∴ｒc1＝ｒc ・ｃｏｓθ1 ／ｃｏｓβ
【００７５】
［数１６］
Ｏｊ＝ｒb ・ｃｏｓ（１８０−θ2 ）＝ｒb1・ｃｏｓγ
∴ｒb1＝ｒb ・ｃｏｓ（１８０−θ2 ）／ｃｏｓγ
【００７６】
上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1は、それぞれ、前記軌道半径ｒa 、ｒc 、ｒb を一般化して表したものである。そこで、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない場合は、先に（即ち数１３以前に）示した軌道半径ｒa 、ｒc 、ｒb を、それぞれ、上記距離ｒa1、ｒc1、ｒb1で読み替えれば（置き換えれば）良い。それによって、イオンビーム３０が質量分離電磁石３２の入口部４２および出口部４４に直角に入出射しない、より一般的な場合の前記磁束密度Ｂやギャップ長ｇを求めて設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】被照射物に平行性の悪いイオンビームが入射する状態の一例を示す概略断面図である。
【図２】この発明に係るイオン照射装置の一実施形態を示す概略平面図である。
【図３】図２中のイオン源の一例を示す概略斜視図である。
【図４】図２中の質量分離電磁石の一例を示す概略縦断面図である。
【図５】図４の線Ｃ1 −Ｃ1 に沿う概略横断面図であり、コイルの図示は省略している。
【図６】入口部角度θ1 、出口部角度θ2 の質量分離電磁石における磁束密度とビーム軌道との関係を説明するための図である。
【図７】図６の質量分離電磁石におけるビーム軌道角度θとビーム軌道半径ｒ等との関係を説明するための図である。
【図８】イオンビームが質量分離電磁石の入口部および出口部に直角に入射しない、より一般的な場合を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７８】
２０ イオン源
２２ プラズマ生成部
２４ イオン引出しスリット
２６ 引出し電極系
２８ イオン引出しスリット
３０ イオンビーム
３２ 質量分離電磁石
３６ 磁極
４０ ビーム偏向領域
４２ 入口部
４４ 出口部
５２ 質量分離スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項２】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項３】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項４】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項５】
前記質量分離電磁石の出口部の下流側付近に、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリットを設けている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項２】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を有していて、当該ビーム偏向領域における磁束密度は、当該ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って大きくなり、かつ当該ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って小さくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項３】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所から互いに実質的に平行に入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部において集束させ、かつ当該出口部から互いに実質的に平行な状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項４】
プラズマを生成する部分であって、互いに実質的に平行に並べられた複数のイオン引出しスリットを有するプラズマ生成部と、このプラズマ生成部からイオンビームを引き出す電極系であって、プラズマ生成部のイオン引出しスリットに対応する複数のイオン引出しスリットを有する引出し電極系とを備えるイオン源と、
前記イオン源から引き出されたイオンビームを、前記プラズマ生成部および引出し電極系のイオン引出しスリットの長手方向と実質的に直交する面内で曲げて特定のイオン種を選別して導出する質量分離電磁石とを備えるイオン照射装置において、
前記質量分離電磁石は、前記面内における平面形状が湾曲しているビーム偏向領域を形成する相対向する磁極を有していて、当該磁極間のギャップ長は、前記ビーム偏向領域の入口部からのイオンビーム進行方向への角度が大きくなるに従って小さくなり、かつ前記ビーム偏向領域の湾曲の外側方向へ行くに従って大きくなるように設定されており、それによって前記質量分離電磁石は、前記ビーム偏向領域の入口部に複数箇所からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±４度以内に入るような平行状態で入射したイオンビームを、前記ビーム偏向領域の出口部でのイオンビーム偏向面内における幅が入口部の幅の１／５以下になるように集束させ、かつ当該出口部からイオンビーム量の過半が進行方向に対して±６度以内に入るような平行状態で出射させるよう構成されていることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項５】
前記質量分離電磁石の出口部の下流側付近に、前記特定のイオン種を通しその他のイオン種を阻止する質量分離スリットを設けている請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン照射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１９６４０１（Ｐ２００６−１９６４０１Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９０７９（Ｐ２００５−９０７９）
【出願日】平成１７年１月１７日（２００５．１．１７）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１７日（２００５．１．１７）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
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