(57)【要約】【課題】  コイルの渡り部の、ヨークからのビーム入出射方向への張り出し距離を小さくして分析電磁石の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる分析電磁石を提供する。【解決手段】  この分析電磁石２００は、第１内側コイル２０６、第２内側コイル２１２、三つの第１外側コイル２１８、三つの第２外側コイル２２４およびヨーク２３０を備えている。内側コイル２０６、２１２はそれぞれ鞍型のコイルであって、両者が協働してイオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる。各外側コイル２１８、２２４は、それぞれ鞍型のコイルであって、主磁界の補正を行う副磁界を発生させる。各コイルは、積層絶縁体の外周面に、絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに切欠き部を設けた構成をしている。【選択図】  図６
2008084679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している少なくとも一組の渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイルと、
前記コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている、分析電磁石。
【請求項２】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第２コイルと、
前記第１コイルおよび第２コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１コイルおよび第２コイルは、それぞれ、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている、分析電磁石。
【請求項３】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている、分析電磁石。
【請求項４】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第１内側コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１内側コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第２内側コイルと、
前記第１内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記第２内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記第１内側コイル、第２内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１内側コイルおよび第１外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記第２内側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている、分析電磁石。
【請求項５】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している少なくとも一組の渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイルと、
前記コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有している、分析電磁石。
【請求項６】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第２コイルと、
前記第１コイルおよび第２コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１コイルおよび第２コイルは、それぞれ、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記第１コイルおよび第２コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有している、分析電磁石。
【請求項７】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有している、分析電磁石。
【請求項８】
イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第１内側コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１内側コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第２内側コイルと、
前記第１内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記第２内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記第１内側コイル、第２内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１内側コイルおよび第１外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記第２内側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記第１内側コイル、第２内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有している、分析電磁石。
【請求項９】
前記第１外側コイルを複数備えていて、各第１外側コイルはＹ方向においてそれぞれ重ねて配置されており、かつ前記第２外側コイルを第１外側コイルと同数の複数備えていて、各第２外側コイルはＹ方向においてそれぞれ重ねて配置されている請求項３、４、７または８記載の分析電磁石。
【請求項１０】
前記ビーム経路を挟んでＹ方向において相対向するように、前記ヨークから内側に突出している一組の磁極を更に備えている請求項１ないし９のいずれかに記載の分析電磁石。  
【請求項１１】
前記各コイルは、前記ビーム経路のＹ方向における中心を通りかつＸＺ平面に平行な対称面に関して、Ｙ方向において実質的に面対称の形状をしている請求項１ないし１０のいずれかに記載の分析電磁石。
【請求項１２】
請求項３、４、７、８または９記載の分析電磁石から出射する前記イオンビームの形態が、入射時の前記イオンビームの形態に近づくように、前記第１外側コイルおよび第２外側コイルに流す電流を制御する、分析電磁石の制御方法。
【請求項１３】
基板にイオンビームを照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、
Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、
前記イオン源からのイオンビームを曲げる請求項１ないし１１のいずれかに記載の分析電磁石と、
前記分析電磁石を通過したイオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置とを備えているイオン注入装置。
【請求項１４】
前記イオン源は、
Ｙ方向に走査された電子を発生させる走査形電子源と、
前記走査形電子源からの電子が入射され、かつガスが導入され、当該電子による衝撃によって当該ガスを電離させてプラズマを生成させる容器であって、Ｙ方向に沿って伸びたイオン引出しスリットを有するプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の外側に設けられていて、１枚以上の電極から成り、プラズマ生成容器のイオン引出しスリットを通して前記プラズマから前記リボン状のイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えている請求項１３記載のイオン注入装置。
【請求項１５】
前記イオン源は、前記プラズマ生成容器内であって前記走査形電子源から電子が入射される側とは反対側の部分に、負電圧が印加されて前記入射された電子を反射させる反射電極を更に備えている請求項１４記載のイオン注入装置。
【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に用いられて、リボン状のイオンビームを磁界によって曲げて当該イオンビームの運動量分析（例えば質量分析）を行う分析電磁石、その制御方法および当該分析電磁石を備えるイオン注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型の基板に対して、高いスループットでイオン注入を行う等のために、リボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）のイオンビームを用いる場合がある。
【０００３】
リボン状のイオンビームを、分析電磁石を通して運動量分析（例えば質量分析。以下同様）を行った後に、基板に入射させて当該基板にイオン注入を行うイオン注入装置およびそれ用の分析電磁石の例が、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載されている従来の分析電磁石を図２９を参照して説明する。この図では、コイル１２、１８の形状を分かりやすくするために、ヨーク３６は二点鎖線で示している。イオンビーム２の進行方向をＺ方向とし、このＺ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、この分析電磁石４０には、Ｙ方向に長い縦長のリボン状のイオンビーム２が入口２４から入射され、出口２６から出射される。
【０００５】
この分析電磁石４０は、特許文献１の図１に記載されているような上下二つのコイル１２、１８と、同文献の図２１に記載されているヨークに相当するヨーク３６とを組み合わせた構成をしている。
【０００６】
コイル１２は、鞍型のコイル（特許文献１ではバナナ型コイルと呼んでいる）であり、イオンビーム２の経路（ビーム経路）を挟んで相対向している一組の本体部（特許文献１ではコイル主体部と呼んでいる）１４と、両本体部１４のＺ方向に沿う方向における端部同士間を、ビーム経路を避けるように斜めに跳ね上げて接続している一組の渡り部（特許文献１では端部跳ね上げ部と呼んでいる）１６とを有している。入口２４と出口２６とで渡り部１６を斜めに跳ね上げているのは、それにイオンビーム２が当たらないようにしてビーム通過領域を確保するためである。
【０００７】
コイル１８も、コイル１２と同様の構造をした鞍型のコイルであり（但し、コイル１２とは実質的に面対称の形をしている）、一組の本体部２０と一組の渡り部２２とを有している。
【０００８】
両コイル１２、１８は、それぞれ、周囲を絶縁物によって被覆された導体（被覆導体）を多数回巻いたマルチターンのコイルであって、平面形状が扇型をしているコイルに対して、その両端部付近に曲げ加工を施して上記渡り部１６、２２を形成するという方法で製造される。上記導体には、通常、中に冷媒（例えば冷却水）が流される中空導体（ホローコンダクター）が使用される。この明細書において「絶縁」とは、電気絶縁を意味する。  
【０００９】
両コイル１２、１８の本体部１４、２０の外側をヨーク３６が一括して囲んでいる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１５２５５７号公報（段落０００６、００２２、図１、図２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記分析電磁石４０においては次のような課題がある。
【００１２】
（１）入口２４および出口２６において、ヨーク３６からの渡り部１６、２２のビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ1 が大きい。これは主として次の理由による。
【００１３】
（ａ）上記のようなＹ方向に長いリボン状のイオンビーム２をできるだけ均一に偏向させるためには、両コイル１２、１８の本体部１４、２０はそのＹ方向の寸法ａを大きくして縦長に（図２９に示す例よりも大きく縦長に）する必要があるが、コイル１２、１８は上記のように扇型のコイルに曲げ加工を施して渡り部１６、２２を形成したものであるため、上記寸法ａが張り出し距離Ｌ1 にほぼそのまま反映される。従って、寸法ａを大きくするほど張り出し距離Ｌ1 も大きくなる。
【００１４】
（ｂ）コイル１２、１８は上記のような扇型のコイルをコイルに曲げ加工を施して渡り部１６、２２を形成したものであるために、曲げ加工上の制約から、本体部１４、２０と渡り部１６、２２との境付近に比較的大きな曲がり部３０、３２が生じるのを避けることができず、この曲がり部３０、３２が存在している分、ヨーク３６の端部と渡り部１６、２２の端部との間の距離Ｌ2 が大きくなり、この距離Ｌ2 が上記張り出し距離Ｌ1 に含まれるため、張り出し距離Ｌ1 が大きくなる。上記寸法ａを大きくするほど、曲げ加工上の制約から、曲がり部３０、３２の曲率半径を大きくしなければならず、距離Ｌ2 ひいては張り出し距離Ｌ1 は大きくなる。
【００１５】
即ち、張り出し距離Ｌ1 は次式で表すことができる。
【００１６】
［数１］
Ｌ1 ＝ａ＋Ｌ2 
【００１７】
（ｃ）渡り部１６、２２を斜めに跳ね上げているため、これも張り出し距離Ｌ1 を大きくする原因になっている。
【００１８】
上記のようにヨーク３６からの渡り部１６、２２の張り出し距離Ｌ1 が大きいと、その分、分析電磁石４０が大型化し、ひいては分析電磁石４０の設置に必要な面積が大きくなる。分析電磁石４０の重量も重くなる。また、ヨーク３６外にある渡り部１６、２２が発生する磁界（これをフリンジフィールドと呼ぶこともある）がイオンビーム２の形態（形状および姿勢。以下同様）を乱す可能性も大きくなる。
【００１９】
（２）コイル１２、１８における消費電力が大きい。これは主として次の理由による。  
【００２０】
（ａ）渡り部１６、２２はイオンビーム２を偏向させる磁界を発生させるものではないが、上記のように渡り部１６、２２の張り出し距離Ｌ1 が大きいのでその分、渡り部１６、２２の長さも長くなって渡り部１６、２２における無駄な消費電力が大きく、これがコイル１２、１８における消費電力を大きくしている。
【００２１】
（ｂ）コイル１２、１８は上記のように被覆導体のマルチターンコイルであるので、コイル１２、１８の断面中に占める導体面積の割合（即ち導体の占積率）を大きく取るのが難しく、そのぶん電力損失が大きくなって消費電力が大きくなる。被覆導体が中空のホローコンダクターの場合は、導体の占積率はより小さくなり、電力損失がより大きくなるので、消費電力はより大きくなる。
【００２２】
そこでこの発明は、コイルの渡り部の、ヨークからのビーム入出射方向への張り出し距離を小さくして分析電磁石の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる分析電磁石を提供することを主たる目的としている。
【００２３】
また、当該分析電磁石の制御方法および当該分析電磁石を備えるイオン注入装置を提供することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明に係る分析電磁石の一つは、イオンビームの進行方向をＺ方向とし、Ｚ方向と実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいリボン状のイオンビームが入射され、当該イオンビームの通り道であるビーム経路にＹ方向に沿う磁界を発生させて、当該イオンビームをＸ方向に曲げる分析電磁石であって、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している少なくとも一組の渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイルと、
前記コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている。
【００２５】
この分析電磁石においては、コイルは、上記のような扇型筒状の積層コイルに本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしているので、渡り部は、本体部の端部からＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっている。従って、本体部のＹ方向における寸法を大きくする場合でも、それに対応させて渡り部のＹ方向における寸法を大きくすれば済むので、ビーム入出射方向への渡り部の張り出し距離は大きくならない。このような構造によって、コイルの渡り部の、ヨークからのビーム入出射方向への張り出し距離を小さくすることができる。
【００２６】
また、コイルの渡り部の張り出し距離を小さくすることができることに伴って、渡り部の長さも短くすることができるので、渡り部における無駄な消費電力を小さくすることができる。しかも、上記コイルは、絶縁シートを挟んで導体シートを積層した構造をしているので、被覆導体を多数回巻いたマルチターンコイルに比べて、導体の占積率が高く、そのぶん電力損失が少ない。従って、消費電力を小さくすることができる。
【００２７】
この発明に係る分析電磁石の他のものは、前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる磁界を発生させる第２コイルと、
前記第１コイルおよび第２コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１コイルおよび第２コイルは、それぞれ、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている。
【００２８】
この発明に係る分析電磁石の更に他のものは、前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している渡り部を有していて、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている。
【００２９】
この発明に係る分析電磁石の更に他のものは、前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の一方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、第２内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第１内側コイルと、
前記ビーム経路を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビームのＹ方向の他方側のほぼ半分以上をカバーする一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１内側コイルと互いに重ねて配置されていて、前記第１内側コイルと協働して、イオンビームをＸ方向に曲げる主磁界を発生させる第２内側コイルと、
前記第１内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第１外側コイルと、
前記第２内側コイルの外側にあってビーム経路を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部および両本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路を避けて接続している一組の渡り部を有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において前記第１外側コイルと重ねて配置されていて前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる１以上の第２外側コイルと、
前記第１内側コイル、第２内側コイル、第１外側コイルおよび第２外側コイルの本体部の外側を一括して囲んでいるヨークとを備えており、
かつ前記第１内側コイルおよび第１外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしており、
前記第２内側コイルおよび第２外側コイルは、積層絶縁体の外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、その外周面に積層絶縁体を形成し、その外周面に、主面がＹ方向に沿う絶縁シートおよび導体シートを互いに重ね合わせたものを複数回巻いて積層し、更にその外周面に積層絶縁体を形成した扇型筒状の積層コイルに、前記本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしている。
【００３０】
前記各コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有していても良い。
【００３１】
この発明に係る分析電磁石の制御方法は、前記分析電磁石から出射する前記イオンビームの形態が、入射時の前記イオンビームの形態に近づくように、前記第１外側コイルおよび第２外側コイルに流す電流を制御するものである。
【００３２】
この発明に係るイオン注入装置は、基板にイオンビームを照射してイオン注入を行うイオン注入装置であって、Ｙ方向の寸法が前記基板のＹ方向の寸法よりも大きい前記リボン状のイオンビームを発生させるイオン源と、当該イオン源からのイオンビームを曲げる前記分析電磁石と、当該分析電磁石を通過したイオンビームを前記基板に入射させる注入位置で、前記基板を前記イオンビームの主面と交差する方向に移動させる基板駆動装置とを備えている。
【発明の効果】
【００３３】
請求項１〜４に記載の発明によれば、各コイルは上記のような扇型筒状の積層コイルに本体部および渡り部を残して切欠き部を設けた構成をしているので、渡り部は、本体部の端部からＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっている。従って、本体部のＹ方向における寸法を大きくする場合でも、それに対応させて渡り部のＹ方向における寸法を大きくすれば済むので、ビーム入出射方向への渡り部の張り出し距離は大きくならない。こののような構造によって、コイルの渡り部の、ヨークからのビーム入出射方向への張り出し距離を小さくすることができる。
【００３４】
その結果、分析電磁石の小型化が可能になり、ひいては分析電磁石の設置に必要な面積を小さくすることができる。分析電磁石の軽量化も可能になる。また、コイルの渡り部が発生する磁界がイオンビームの形態を乱す可能性も小さくなる。
【００３５】
また、各コイルの渡り部の張り出し距離を小さくすることができることに伴って、渡り部の長さも短くすることができるので、渡り部における無駄な消費電力を小さくすることができる。しかも、各コイルは、絶縁シートを挟んで導体シートを積層した構造をしているので、被覆導体を多数回巻いたマルチターンコイルに比べて、導体の占積率が高く、そのぶん電力損失が少ない。従って、消費電力を小さくすることができる。
【００３６】
その結果例えば、従来の分析電磁石に比べて少ない消費電力で所要強度の磁界を発生させることができる。消費電力を同程度にして、従来の分析電磁石に比べて強い磁界を発生させることもできる。後者のようにすれば、イオンビーム偏向の曲率半径を小さくして、分析電磁石をより小型化することができる。
【００３７】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような第１コイルおよび第２コイルを備えているので、Ｙ方向の寸法が大きいイオンビームに対応することが容易になる。
【００３８】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、内側コイルに加えて、上記のような第１外側コイルおよび第２外側コイルを備えているので、イオンビームのビーム経路に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビームの形態の乱れを小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。
【００３９】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第１内側コイルおよび第２内側コイルに加えて、上記のような第１外側コイルおよび第２外側コイルを備えているので、Ｙ方向の寸法が大きいイオンビームに対応することが容易になると共に、イオンビームのビーム経路に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビームの形態の乱れをより小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。
【００４０】
請求項５〜８に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、各コイルの各渡り部は、それぞれ、前記本体部のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部と、両縦部に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部とを有しているので、ヨークからの渡り部のビーム入出射方向への張り出し距離をより確実に小さくすることができる。その結果、請求項１〜４について上述した、分析電磁石の小型化、低消費電力化等の効果をより確実に奏することができる。
【００４１】
請求項９に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、複数の第１外側コイルおよび複数の第２外側コイルを備えていて、それらによって、ビーム経路に発生させる磁界のＹ方向における磁束密度分布をよりきめ細かく補正することができるので、Ｙ方向においてより均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビームの形態の乱れをより小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。
【００４２】
請求項１０に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような磁極を備えていることによって、両磁極間のギャップに磁界が集中しやすくなるので、ビーム経路に磁束密度の高い磁界を発生させることが容易になる。
【００４３】
請求項１１に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、各コイルは、上記対称面に関してＹ方向において実質的に面対称の形状をしているので、ビーム経路に、Ｙ方向において対称性の良い磁界を発生させることが容易になる。これは、出射時のイオンビームの形態の乱れを小さく抑えることに寄与する。
【００４４】
請求項１２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、第１外側コイルおよび第２外側コイルに流す電流を上記のように制御することによって、出射時のイオンビームの形態を入射時の形態により確実に近づけることができる。
【００４５】
請求項１３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような分析電磁石を備えているので、分析電磁石の小型化に伴ってイオン注入装置全体の小型化が可能になり、ひいてはイオン注入装置の設置に必要な面積を小さくすることができる。イオン注入装置の軽量化も可能になる。また、分析電磁石における消費電力を小さくすることができることに伴って、イオン注入装置全体の消費電力を小さくすることができる。
【００４６】
しかも、Ｙ方向の寸法が基板のＹ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームを発生させるイオン源を備えているので、イオンビームのＹ方向の発散または拡幅を利用する場合に比べて、大型の基板に対しても、高い処理速度（スループット）でイオン注入を行うことができる。この効果は、処理対象の基板ひいてはイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。
【００４７】
請求項１４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、イオン源が上記のような構成をしているので、イオン源からＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いイオンビームを発生させることができる。従って、基板に対するイオン注入の均一性を高めることができる。この効果は、処理対象の基板ひいてはイオンビームのＹ方向の寸法が大きい場合により顕著になる。
【００４８】
請求項１５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、イオン源が上記のような反射電極を備えているので、プラズマ生成容器内における電子の寿命を長くして、当該電子の衝撃によるプラズマの生成効率を高めてプラズマ密度を高めることができる。その結果、発生させるイオンビーム量を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（１）イオン注入装置全体について
図１は、この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。この明細書および図面においては、イオンビーム５０の進行方向を常にＺ方向とし、このＺ方向に実質的に直交する面内において互いに実質的に直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としている。例えば、Ｘ方向およびＺ方向は水平方向であり、Ｙ方向は垂直方向である。なお、Ｙ方向は一定の方向であるが、Ｘ方向は絶対的な方向ではなく、イオンビーム５０の経路上の位置によって変化する（例えば図１、図４等参照）。またこの明細書において、イオンビーム５０を構成するイオンは正イオンの場合を例に説明している。
【００５０】
このイオン注入装置は、基板６０にリボン状のイオンビーム５０を照射してイオン注入を行う装置であり、リボン状のイオンビーム５０を発生させるイオン源１００と、このイオン源１００からのイオンビーム５０をＸ方向に曲げて運動量分析を行う分析電磁石２００と、この分析電磁石２００を通過したイオンビーム５０を基板６０に入射させる注入位置で基板６０をイオンビーム５０の主面５２（図２、図３参照）と交差する方向に移動させる（矢印Ｃ参照）基板駆動装置５００とを備えている。
【００５１】
この明細書において「主面」とは、リボン状またはシート状のもの（例えばイオンビーム５０、後述する絶縁シート２６６、２６７、導体シート２６８、２６９等）の端面ではなく、大きい方の面を意味している。また、「下流側」または「上流側」というのは、それぞれ、イオンビーム５０の進行方向Ｚに見て下流側または上流側の意味である。
【００５２】
このイオン注入装置は、更に、分析電磁石２００と協働してイオンビーム５０の運動量分析を行う分析スリット７０、および、イオンビーム５０の偏向および加減速を行う加減速器４００を備えている。イオン源１００から基板６０までのイオンビーム５０の経路は真空雰囲気に保たれる。
【００５３】
イオン源１００から発生させて基板６０まで輸送するイオンビーム５０は、例えば図２に示すように、Ｘ方向の寸法ＷX よりもＹ方向の寸法ＷY が大きいリボン状をしている。即ちＷY ＞ＷX である。イオンビーム５０は、リボン状と言ってもＸ方向の寸法ＷX が紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム５０のＸ方向の寸法ＷX は３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度、Ｙ方向の寸法ＷY は、基板６０の寸法にも依るが、３００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。このイオンビーム５０の大きい方の面、即ちＹＺ面に沿う面が主面５２である。
【００５４】
イオン源１００は、図３に示す例のように、Ｙ方向の寸法ＷY が基板６０のＹ方向の寸法ＴY よりも大きいリボン状のイオンビーム５０を発生させる。例えば、寸法ＴY が３００ｍｍ〜４００ｍｍであれば、寸法ＷY は４００ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。
【００５５】
基板６０は、例えば、半導体基板、ガラス基板、その他の基板である。その平面形状は円形でも良いし四角形でも良い。
【００５６】
分析スリット７０は、Ｙ方向に実質的に平行に伸びたスリット７２を有している。分析スリット７０は、この例のように、分析電磁石２００から出射したイオンビーム５０のＸ方向における焦点５６付近に設けておくのが、運動量分析の分解能を高める上から好ましい。
【００５７】
加減速器４００は、例えば特許第３７３８７３４号公報に記載されているようなものであり、静電界によって、イオンビーム５０をＸ方向に偏向させ、かつ当該イオンビーム５０の加速または減速を行うものである。
【００５８】
このような加減速器４００は、必須ではないけれども、それを備えていると、当該加減速器４００において、イオンビーム５０の加減速だけでなく、イオンビーム５０をＸ方向に偏向させることができるので、所望エネルギーのイオンビーム５０を選別して導出することができ、エネルギーコンタミネーション（不所望エネルギーイオンの混入）を抑制することができる。しかもこれらの作用を一つの加減速器４００において実現することができるので、エネルギー分析器を別に設ける場合に比べて、イオンビーム５０の輸送経路を短くすることができ、それによって、イオンビーム５０の輸送効率を向上させることができる。特に、イオンビーム５０が低エネルギーかつ大電流の場合は、イオンビーム５０は輸送中に空間電荷効果によって発散しやすいので、輸送距離を短くする効果は顕著になる。
【００５９】
（２）分析電磁石２００について
以下においては、分析電磁石２００全体の構成、各コイルの構造の詳細、各コイルの製造方法、分析電磁石２００の特長、制御方法、他の実施形態等を順に説明する。
【００６０】
（２−１）分析電磁石２００の全体の構成
分析電磁石２００の一実施形態を図４〜図６等に示す。図６は真空容器２３６を除いて示す。この分析電磁石２００は、上記リボン状のイオンビーム５０が入射され、当該イオンビーム５０の通り道であるビーム経路２０２にＹ方向に沿う磁界を発生させて、イオンビーム５０をＸ方向に曲げて運動量分析を行うものである。上記磁界を、図５等において磁力線２０４で模式的に表している。即ち、この分析電磁石２００にイオンビーム５０が入射すると、イオンビーム５０は、進行中に上記磁界によって、その進行方向Ｚに見て右向きのローレンツ力ＦX を受けて右向きに偏向され、それによって運動量分析が行われる。このイオンビーム５０の中心軌道５４を図４中に一点鎖線で示す。その曲率半径をＲとする。分析電磁石２００によってイオンビーム５０を偏向させる角度（偏向角）をαとする。
【００６１】
曲率半径Ｒは、例えば、３００ｍｍ〜１５００ｍｍである。偏向角αは、例えば、６０度〜９０度である。図４は偏向角αが９０度の場合を例示している。
【００６２】
分析電磁石２００は、図７も参照して、第１内側コイル２０６と、第２内側コイル２１２と、１以上の（この実施形態では三つの）第１外側コイル２１８と、１以上の（この実施形態では三つの）第２外側コイル２２４と、ヨーク２３０と、一組の磁極２３２とを備えている。ビーム経路２０２は、非磁性材から成る真空容器２３６によって囲まれていて、真空雰囲気に保たれる。この真空容器２３６は分析管とも呼ばれる。
【００６３】
第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２は、図８に抜き出して示しているので、それを参照した方が分かりやすい。
【００６４】
各コイル２０６、２１２、２１８、２２４は、この実施形態では、ビーム経路２０２のＹ方向における中心を通りかつＸＺ平面に平行な対称面２３４（図５等参照）に関して、Ｙ方向において実質的に面対称の形状をしている。後述するコイル３２０（図２２、図２４等参照）、第１コイル３２６、第２コイル３２８（図２５参照）も同様である。このように面対称にすることによって、ビーム経路２０２に、Ｙ方向において対称性の良い磁界を発生させることが容易になる。これは、分析電磁石２００から出射する時のイオンビーム５０の形態の乱れを小さく抑えることに寄与する。
【００６５】
なお、以下において、複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４をそれぞれ区別する必要がある場合は、図５、図９、図１３等に示すように、第１外側コイル２１８についてはＹ方向の上側から順に第１外側コイル２１８ａ、２１８ｂ、２１８ｃとし、第２外側コイル２２４については、上記のように第１外側コイル２１８とは面対称であるので、Ｙ方向の下側から順に第２外側コイル２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃとする。
【００６６】
また、図面において、コイル２０６等を示す符号にアンダーラインを付しているのは、当該コイル等の全体を示す意味である。
【００６７】
第１内側コイル２０６は、主に図８、図１２を参照して、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビーム５０のＹ方向の一方側（この実施形態では上側）のほぼ半分以上（換言すれば実質的に半分以上）をカバーする一組の本体部２０８と、両本体部２０８のＺ方向に沿う方向における端部（換言すれば、分析電磁石２００の入口２３８側の端部および出口２４０側の端部。他のコイルにおいても同様）同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２１０とを有している鞍型のコイルであって、第２内側コイル２１２と協働して、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させるものである。主磁界というのは、主に当該磁界によって、イオンビーム５０をほぼ所定の曲率半径Ｒで曲げる、そのような磁界のことである。
【００６８】
鞍型と呼んでいるのは、当該第１内側コイル２０６を全体として見れば、鞍に似た形をしているからである。他のコイル２１２、２１８、２２４および後述するコイル３２６、３２８も同様である。
【００６９】
渡り部２１０は、イオンビーム５０が当たるのを避けると共に、そこで発生する磁界がイオンビーム５０に及ぼす影響を小さくするために、ビーム経路２０２から、Ｙ方向の上側に離して設けている。他のコイルの渡り部もこれと同様の目的で、ビーム経路２０２から、Ｙ方向の上側または下側に離して設けている。
【００７０】
第２内側コイル２１２は、主に図８を参照して、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向しておりかつイオンビーム５０のＹ方向の他方側（この実施形態では下側）のほぼ半分以上（換言すれば実質的に半分以上）をカバーする一組の本体部２１４と、両本体部２１４のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２１６とを有している鞍型のコイルであって、Ｙ方向において第１内側コイル２０６と互いに重ねて配置されていて、第１内側コイル２０６と協働して、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させるものである。即ち、この第２内側コイル２１２は、第１内側コイル２０６と同方向の磁力線２０４を発生させる。
【００７１】
この第２内側コイル２１２も、第１内側コイル２０６と同様の寸法、構造をしている。導体（具体的には導体シート２６８。図１０等参照）の巻回数も通常は第１内側コイル２０６と同数にする。但し、上述したように第１内側コイル２０６とは対称面２３４に関して面対称の形状にしている。渡り部２１６は、渡り部２１０とはビーム経路２０２を挟んでＹ方向の反対側（即ち下側）に設けられている。
【００７２】
第１内側コイル２０６と第２内側コイル２１２との間には、図８では線で示しているけれども、若干の（例えば約２０ｍｍの）隙間２４２を設けている。そこに、後述する冷却板３１２（図１９参照）を、第１内側コイル２０６側に１枚、第２内側コイル２１２側に１枚の合計２枚設けることができる。
【００７３】
各第１外側コイル２１８は、主に図７を参照して、それぞれ、第１内側コイル２０６の外側にあってビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部２２０と、両本体部２２０のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２２２とを有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させるものである。各第１外側コイル２１８は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。
【００７４】
より具体的には、各第１外側コイル２１８の本体部２２０および渡り部２２２の横部（図１２に示す横部２８４に相当する部分）は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。渡り部２２２の縦部（図１２に示す縦部２８２に相当する部分）は、厳密に見れば上記のように重ねて配置されていると言いにくいかも知れないが、それでも全体として見れば、各第１外側コイル２１８はＹ方向においてそれぞれ重ねて配置されていると言うことができる。各第２外側コイル２２４も同様である。
【００７５】
各第１外側コイル２１８は、それぞれ、第１内側コイル２０６とほぼ同様の構造をしている。但し、Ｙ方向の寸法は第１内側コイル２０６よりも小さい。また、導体の巻回数も通常は第１内側コイル２０６よりも少ない。各第１外側コイル２１８は、導体（具体的には導体シート２６９。図１０等参照）の巻回数をそれぞれ同数にしている。各第１外側コイル２１８のＹ方向の寸法は、この実施形態ではそれぞれ異ならせているが、同じにしても良い。各第２外側コイル２２４においても同様である。
【００７６】
例えば、各コイルの本体部および渡り部のＹ方向の寸法は、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２においては約２３０ｍｍ、第１外側コイル２１８ａおよび第２外側コイル２２４ａにおいては約５０ｍｍ、第１外側コイル２１８ｂおよび第２外側コイル２２４ｂにおいては約６０ｍｍ、第１外側コイル２６０ｃおよび第２外側コイル２２４ｃにおいては約１００ｍｍである。
【００７７】
各第１外側コイル２１８間、各第２外側コイル２２４間および一番下の第１外側コイル２１８（２１８ｃ）と一番上の第２外側コイル２２４（２２４ｃ）との間には、図７では線で示しているけれども、若干の隙間２４４、２４６、２４８をそれぞれ設けている（図９も参照）。そこに後述する冷却板３１２（図１９参照）を設けることができる。例えば、隙間２４４、２４６の寸法は約１０ｍｍ、隙間２４８の寸法は上記隙間２４２に合わせて約２０ｍｍである。隙間２４４、２４６は、各外側コイル２１８、２２４に沿って全周に設けている。
【００７８】
各第１外側コイル２１８は、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２と同方向の磁界を発生させるものでも良いし、逆方向の磁界を発生させるものでも良いし、磁界の向きを制御によって反転させるものでも良い。各第２外側コイル２２４においても同様である。各第１外側コイル２１８の本体部２２０で発生させる磁力線（磁界）の一部は、ビーム経路２０２側に広がる（換言すれば漏れ出す）ので、上記主磁界に影響を及ぼす。従って、各第１外側コイル２１８は、上記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させることができる。その場合、各第１外側コイル２１８は、それぞれ、主にその内側付近領域における主磁界を補助または補正する作用を奏する。各第２外側コイル２２４においても同様である。
【００７９】
各第２外側コイル２２４は、主に図７を参照して、それぞれ、第２内側コイル２１２の外側にあってビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部２２６と、両本体部２２６のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している一組の渡り部２２８とを有している鞍型のコイルであって、前記主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させるものである。各第２外側コイル２２４は、Ｙ方向においてそれぞれ重ねて配置されている。かつＹ方向において第１外側コイル２１８と重ねて配置されている。
【００８０】
各第２外側コイル２２４は、それぞれ、第２内側コイル２１２とほぼ同様の構造をしている。但し、Ｙ方向の寸法は第２内側コイル２１２よりも小さい。また、導体の巻回数も通常は第２内側コイル２１２よりも少ない。各第２外側コイル２２４の導体（具体的には導体シート）の巻回数、Ｙ方向の寸法については上述のとおりである。
【００８１】
各導体の巻回数の一例を挙げると、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２の導体の巻回数は、それぞれ１１０回程度、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４の導体の巻回数は、それぞれ８５回程度である。
【００８２】
各コイルの本体部２０８、２１４、２２０、２２６は、それぞれ、そのほぼ全体がヨーク２３０内に位置していて、ビーム経路２０２に目的とする磁界（主磁界または副磁界）を発生する部分であると言うこともできる。後述するコイル３２０の本体部３２２も同様である。
【００８３】
各コイルの渡り部２１０、２１６、２２２、２２８は、一組の本体部のＺ方向に沿う方向における端部同士間を電気的に接続して、本体部と協働して、ループ状の導電経路を形成する部分であると言うこともできる。後述するコイル３２０の渡り部３２４、３２５も同様である。
【００８４】
図５は、図４の線Ａ−Ａに沿う縦断面図であるので、図５には、上記各コイル２０６、２１２、２１８、２２４の本体部２０８、２１４、２２０、２２６が表されている。後述する図２４〜図２６においても、各コイルの本体部が表されている。
【００８５】
ヨーク２３０は、強磁性材から成り、上記各コイル２０６、２１２、２１８および２２４の本体部２０８、２１４、２２０および２２６の外側を一括して取り囲んでいる。このようなヨーク２３０によって、外部への漏れ磁場を少なくすることができるという効果も奏する。このヨーク２３０の平面形状は、図４に示すようにいわゆる扇型をしている。このヨーク２３０の断面（ＸＹ平面に沿う断面）形状は、四角の枠状をしている。このようなヨーク２３０は、ウインドウフレーム型のヨークと呼ぶ場合もある。
【００８６】
この実施形態では、ヨーク２３０を構成する上部ヨーク２３１を着脱可能にしている。この上部ヨーク２３１の用い方は後述する。
【００８７】
一組の磁極２３２は、それぞれ、強磁性材から成り、ビーム経路２０２を挟んでＹ方向において相対向するように、ヨーク２３０から内側に突出している。例えば１５ｍｍ程度突出している。各磁極２３２の平面形状は、図４に示すイオンビーム５０の中心軌道５４に沿った円弧状をしている。これを扇型と呼ぶ場合もある。両磁極２３２間のギャップ長Ｇは、イオンビーム５０のＹ方向の寸法ＷY よりもある程度（例えば１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度）大きい。このような磁極２３２は、必須ではないけれども、これを備えていると、両磁極２３２間のギャップに磁力線２０４が集中しやすくなるので、ビーム経路２０２に磁束密度の高い磁界を発生させることが容易になる。
【００８８】
両磁極２３２間のギャップ長Ｇは、例えば、上記曲率半径Ｒの１／２以上の大きさを有している。具体例を挙げると、曲率半径Ｒが８００ｍｍの場合、ギャップ長Ｇは例えば５００ｍｍである。ギャップ長Ｇは、通常、各磁極２３２の幅ＷG 以上の大きさを有している。即ち、Ｇ≧ＷG である。このような寸法関係にすると、磁極２３２およびヨーク２３０を無用に大きくせずに済む。
【００８９】
なお、図５〜図７において、第１内側コイル２０６と第１外側コイル２１８との間、および、第２内側コイル２１２と第２外側コイル２２４との間に隙間が存在しているように見えるけれども、それらの間には、この実施形態では、図９、図１０に示す積層絶縁体２６２が介在している。
【００９０】
（２−２）各コイルの構造等
次に、上記各コイルの構造等を詳述する。図９は、図７中の線Ｄ−Ｄに沿って、第１内側コイルおよび第１外側コイルの断面を拡大して示す概略図である。図１０は、図９に示した第１内側コイルおよび一番上の第１外側コイルを分解して示す断面図である。
【００９１】
第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８は、第１の積層絶縁体２６１の外周面に、主面２６６ａがＹ方向に沿う絶縁シート２６６および主面２６８ａがＹ方向に沿う導体シート２６８を互いに重ね合わせたもの（組２６４）を複数回巻いて積層し（Ｙ方向に交差する矢印２７０方向に積層。以下同様）、その外周面に第２の積層絶縁体２６２を形成し、その外周面に、主面２６７ａがＹ方向に沿う絶縁シート２６７および主面２６９ａがＹ方向に沿う導体シート２６９を互いに重ね合わせたもの（組２６５）を複数回巻いて積層し、更にその外側に第３の積層絶縁体２６３を形成した扇型筒状の積層コイル２９０（図１４参照）に、上記本体部２０８、２２０および渡り部２１０、２２２を残して、切欠き部２７２〜２７５（図７参照）を設けた構造をしている。
【００９２】
切欠き部２７２〜２７５を理解しやすくするために、第１内側コイル２０６の切欠き部２７２〜２７５を図１２に示す。第１外側コイル２１８にもこれと同様の切欠き部２７２〜２７５が設けられている。
【００９３】
上記曲率半径Ｒの内外方向に位置する二つの切欠き部２７２、２７３には、ヨーク２３０が嵌まる。即ち、ヨーク２３０の形状に合った形状をしている。後述するコイル３２０の切欠き部２７６〜２７９も同様である。イオンビーム５０の進行方向Ｚ側の二つの切欠き部２７４、２７５は、上記入口２３８、出口２４０の上半分をそれぞれ形成する。
【００９４】
第２の積層絶縁体２６２は、第１内側コイル２０６を構成していると見ても良いし（図１０ではそのように図示している）、第１外側コイル２１８を構成していると見ても良いし、両コイル２０６、２１８で共有していると見ても良い。
【００９５】
図１４に示す積層コイル２９０は、その断面構造を図１５に示すように、図１０と同様の断面構造をしている内側コイル２９２および外側コイル２９４から成る。この場合も、第２の積層絶縁体２６２は、内側コイル２９２を構成していると見ても良いし（図１５ではそのように図示している）、外側コイル２９４を構成していると見ても良いし、両コイル２９２、２９４で共有していると見ても良い。
【００９６】
この積層コイル２９０の、上記切欠き部２７２〜２７５にそれぞれ対応する部分２７２ａ〜２７５ａを、切削加工等によって切り欠いて除去して切欠き部２７２〜２７５を形成すると、内側コイル２９２が第１内側コイル２０６になり、外側コイル２９４が第１外側コイル２１８になる。
【００９７】
更にこの実施形態では、第１外側コイル２１８を三つに（３段に）分けるために、積層コイル２９０の外側コイル２９４に、切削加工等によって上記隙間２４４を設けた構造をしている。
【００９８】
上記積層コイル２９０の積層絶縁体２６１、２６２、２６３は、それぞれ、例えば、プリプレグシートを複数回巻いて積層することによって形成されている。図１６中のプリプレグシート３００が上記プリプレグシートである。プリプレグシートは、絶縁性および耐熱性を有する支持体に、絶縁性を有する樹脂を含浸し、半硬化状態に処理したシートのことである。
【００９９】
上記支持体は、例えば、ガラス繊維またはカーボン繊維等から成る。上記樹脂は、例えばエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等から成る。このようなプリプレグシートを用いて形成された積層絶縁体２６１〜２６３は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）と呼ぶこともできる。この積層絶縁体２６１〜２６３の厚さは、構造材として必要とする強度等に応じて選定すれば良い。
【０１００】
絶縁シート２６６、２６７は、それぞれ、例えば、ノーメックス（登録商標）、ルミラー（登録商標）またはカプトン（登録商標）から成るシート、またはその他の絶縁シートである。この絶縁シート２６６、２６７の厚さは、必要とする絶縁耐圧等に応じて選定すれば良い。例えば約７５μｍであるが、それより薄くしても良い。
【０１０１】
導体シート２６８、２６９は、それぞれ、例えば銅シート、またはアルミニウムシートから成る。これらの厚さは、流す電流値等に応じて選定すれば良い。例えば、銅シートの場合の厚さは約０．４ｍｍ、アルミニウムシートの場合の厚さは約０．５ｍｍである。これらのＹ方向に相当する方向の幅は、必要とするコイルのＹ方向の寸法に応じて選定すれば良い。例えば２３０ｍｍである（後述する加工前の幅は、例えば約２３４ｍｍである）。積層絶縁体２６１〜２６３、絶縁シート２６６、２６７の幅もこれに合わせれば良い。  
【０１０２】
絶縁シート２６６と導体シート２６８の重ね合わせ方は、図１０とは反対に、第１内側コイル２０６の内側（図１０中の左側。即ち積層絶縁体２６１側）に導体シート２６８を配置し、その外側に絶縁シート２６６を重ねて配置しても良い。必要に応じて、導体シート２６８の両側に絶縁シート２６６を重ねて配置しても良い。第１外側コイル２１８の絶縁シート２６７および導体シート２６９についても同様である。
【０１０３】
第１内側コイル２０６の導体シート２６８は、平面的に見れば、図１１に示すように、扇型に複数回巻いた構造をしており、その両端には端子３４０が接続されている。但し巻回数は図示のものに限られない。この導体シート２６８に電流ＩM を流すことによって、上記主磁界を形成する磁力線２０４を発生させることができる。図１２にも同じ電流ＩM および磁力線２０４を示している。
【０１０４】
第１外側コイル２１８の導体シート２６９も、平面的に見れば図１１と同様の構造をしている。
【０１０５】
第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４も、上記第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８と同様の構造をしている。但し、前述したように、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８とは、対称面２３４に関して面対称の形状をしている。
【０１０６】
なお、外側の積層絶縁体２６３（図２３に示すコイルの場合は積層絶縁体２６２）の更に外周部に、必要に応じて、コイルの補強等を行う部材を更に設けても良い。
【０１０７】
各コイルの渡り部の構造の例を、第１内側コイル２０６を例にして図１２を参照して、より詳しく説明する。
【０１０８】
第１内側コイル２０６の各渡り部２１０は、それぞれ、本体部２０８のＺ方向に沿う方向における端部に実質的に直角につながっていてＹ方向に実質的に平行に伸びた二つの縦部２８２と、両縦部２８２に実質的に直角につながっていてＸＺ平面に実質的に平行に伸びた横部２８４とを有している。即ち、横部２８４によって両縦部２８２間を接続している。従って、第１内側コイル２０６は、Ｙ方向に実質的に直交する横方向の導電経路２８６と、Ｙ方向に実質的に平行な縦方向の導電経路２８８とを有している。即ち、角部を除いて、この第１内側コイル２０６の導電経路の殆どは、両導電経路２８６および２８８で組み合わされて構成されている。そして、導電経路２８６および２８８における電流密度は、実質的にどこも同じになるようにしている。
【０１０９】
他のコイル２１２、２１８、２２４の各渡り部２１６、２２２、２２８も、それぞれ、上記渡り部２１０と同様の構造をしている。従って、他のコイル２１２、２１８、２２４も、それぞれ、Ｙ方向に実質的に直交する横方向の導電経路と、Ｙ方向に実質的に平行な縦方向の導電経路とを有している。即ち、角部を除いて、これらのコイルの導電経路の殆どは、横方向の導電経路および縦方向の導電経路で組み合わされて構成されている。そして、横方向の導電経路および縦方向の導電経路における電流密度は、実質的にどこも同じになるようにしている。後述するコイル３２０においても同様である。
【０１１０】
各コイルの渡り部を上記のような構造にするのが好ましく、そのようにすると、分析電磁石２００からの渡り部のビーム入出射方向への張り出し距離をより確実に小さくすることができる。この張り出し距離については後で詳しく説明する。
【０１１１】
上記各コイル用の電源構成の一例を図１３に示す。この例では、第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に直流の主電源２５０がそれぞれ接続されており、この各主電源２５０から第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に、互いに実質的に同じ大きさの電流ＩM を流すことができる。なお、上記二つの主電源２５０は、必ずしも別個のものである必要はなく、それらを一つにまとめた主電源としても良い。
【０１１２】
更にこの例では、各第１外側コイル２１８（２１８ａ〜２１８ｃ）および各第２外側コイル２２４（２２４ａ〜２２４ｃ）に直流の副電源２５２がそれぞれ接続されており、この各副電源２５２から各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に電流ＩS を流すことができ、しかも各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流ＩS をそれぞれ独立して制御することができる。なお、上記複数の副電源２５２は、必ずしも別個のものである必要はなく、それらを一つにまとめて、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流ＩS をそれぞれ独立して制御することができる一つの副電源としても良い。
【０１１３】
（２−３）各コイルの製造方法等
次に、上記各コイルの製造方法の例を、上記第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を例にして説明する。
【０１１４】
まず図１４に示す扇型筒状の積層コイル２９０を製造する。これは次のようにして行う。
【０１１５】
まず図１６に示すように、図１４に示した積層コイル２９０の弧状部２９１とは反対に外側に張り出した弧状部２９７を有する型２９６を用いて、それを軸２９８を中心にして矢印２９９のように一定方向に回転させて、上述したようなプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図１５、図１７に示す積層絶縁体２６１を形成する。
【０１１６】
次に図１７に示すように、型２９６を上記と同様に回転させて、上記絶縁シート２６６と導体シート２６８とを互いに重ね合わせて、それらを積層絶縁体２６１の外周面に複数回巻いて積層する。これによって、図１５に示す絶縁シート２６６と導体シート２６８との積層体を形成する。
【０１１７】
次に図１６の場合と同様にして、上記絶縁シート２６６と導体シート２６８との積層体の外周面にプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図１５に示す積層絶縁体２６２を形成する。
【０１１８】
次に図１７の場合と同様にして、上記絶縁シート２６７と導体シート２６９とを互いに重ね合わせて、それらを上記積層絶縁体２６２の外周面に複数回巻く。これによって、図１５に示す絶縁シート２６７と導体シート２６９との積層体を形成する。
【０１１９】
次に図１６の場合と同様にして、上記絶縁シート２６７と導体シート２６９との積層体の外周面にプリプレグシート３００を複数回巻く。これによって、図１５に示す積層絶縁体２６３を形成する。
【０１２０】
上記工程の後に型２９６を外すと、図１８に示すように、上記内側コイル２９２および外側コイル２９４から成るけれども、弧状部２９１ａが上記弧状部２９１とは反対に外側に張り出している積層コイル２９０ａが得られる。
【０１２１】
なお、導体シート２６８の巻き始めの部分および巻き終わりの部分にリード板をそれぞれ挟んでおくことにより、当該リード板を用いて、導体シート２６８を端子３４０（図１１参照）に接続することができる。導体シート２６９についても同様である。
【０１２２】
また、上記のように巻く前に、導体シート２６８、２６９の表裏両側の主面２６８ａ、２６９ａに、金属粒子等の砥粒（ショット）を吹き付けて（即ちショットブラスト処理を施して）、表面を粗くしておくのが好ましい。そのようにすると、表面積を増大させて、絶縁シート２６６、２６７等との密着性を高めることができる。ショットブラスト処理は、導体シート２６８、２６９の少なくとも一方の主面に施しても効果はあるが、両主面に施すのが好ましい。絶縁シート２６６、２６７についても同様である。
【０１２３】
同様に、絶縁シート２６６、２６７の表裏両側の主面２６６ａ、２６７ａにもショットブラスト処理を施して、表面を粗くしておくのが好ましい。そのようにすると、表面積を増大させて導体シート２６８、２６９等との密着性をより高めることができる。
【０１２４】
次に上記積層コイル２９０ａの外周に熱収縮テープ（図示省略）を巻いた後に、図１８に示すように、弧状部２９１ａを矢印３０２で示すように加圧（プレス）して上記弧状部２９１を形成する成形を行ったものを、加熱硬化させる。これによって、図１１に示した積層コイル２９０の元になる積層コイル２９０ｂが得られる。上記熱収縮テープを巻くことによって、構造体としての強度が向上する。熱収縮テープの代わりに、前述したプリプレグシートと同様の構成のプリプレグテープを巻いても良い。
【０１２５】
次に上記積層コイル２９０ｂに樹脂を真空含浸させた後に、加圧状態で加熱硬化させる。これは、簡単に言えば、樹脂モールドを行うことである。これによって、図１４に示した積層コイル２９０が得られる。この樹脂モールドを行うことによって、積層コイル２９０の各層間の密着強度を高めてコイルの強度を高めると共に、電気絶縁性能を高めることができる。
【０１２６】
次に上記積層コイル２９０の軸方向（換言すれば高さ方向）の両端面に切削加工を施して平坦面にした後に、上記切欠き部に対応する部分２７２ａ〜２７５ａに切削加工を施して、上記切欠き部２７２〜２７５を形成する。
【０１２７】
外側コイル２９４を複数の上記第１外側コイル２１８にする場合は、外側コイル２９４に対して、上記隙間２４４に相当する部分に溝加工を施して上記隙間２４４を形成する。  
【０１２８】
次に、上記のように切削加工、溝加工を施した積層コイル２９０ｃを、導体シート２６８、２６９の材料（前述したように銅またはアルミニウム）をエッチングするエッチング液中に浸してエッチング処理を施す。それによって、上記切削加工、溝加工時に加工面に生じた導体シート２６８、２６９のバリ等を除去して、導体シート２６８、２６９の層間のショート（レイアーショート）を防止すると共に、絶縁シート２６６、２６７の端面よりも導体シート２６８、２６９の端面を丸く窪ませて、導体シート２６８、２６９の層間絶縁の沿面距離を長くして絶縁性能を向上させることができる。
【０１２９】
そして、上記のようにエッチング処理を施した積層コイル２９０ｄの全体に熱収縮テープを巻いて加熱硬化させる。これによって、図４〜図１０等に示した第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を一体化している扇型筒状の積層コイルを得ることができる。上記熱収縮テープを巻くことによって、構造体としての強度が向上する。但し、コイルを次に述べるような強制冷却構造にする場合は、上記熱収縮テープを巻く前に、次のようにして冷却板３１２を取り付ければ良い。熱収縮テープの代わりに、前述したプリプレグシートと同様の構成のプリプレグテープを巻いても良い。
【０１３０】
即ち図１９に示すように、冷媒通路３１４を有する冷却板３１２を、絶縁物３１６を介在させて、第１内側コイル２０６、第１外側コイル２１８の上下の端面３０６〜３０７および各隙間２４４にそれぞれ圧接させて取り付ける。冷却板３１２は、コイル２０６、２１８の本体部２０８、２２０のＹ方向の上下端面だけでなく、渡り部２１０、２２２のＹ方向の上下端面にも設けるのが好ましい。即ち、できるだけ広い領域に設けるのが好ましい。各冷媒通路３１４には、例えば冷却水が流される。この例では、絶縁物３１６を冷却板３１２に巻いているが、必ずしも巻かなくても良い。
【０１３１】
上記冷却板３１２によって、各コイル２０６、２１８を、その端面から強制冷却することができる。このような冷却構造は、エンドクーリング方式と呼ばれることもある。
【０１３２】
上記の場合、冷却板３１２と絶縁物３１６と間、および、絶縁物３１６と各コイル２０６、２１８の端面との間には、熱伝導性の良い熱拡散コンパウンド（例えばシリコーングリス）を介在（例えば塗布）させておくのが好ましい。そのようにすると、空気層を極力無くして、熱伝導性能ひいては冷却性能をより向上させることができる。
【０１３３】
また、上記各隙間２４４を、コイル２１８の内側（図１９中の左側）に向かって狭くなった楔形にして、そこに取り付ける冷却板３１２も同様の楔形にして、当該冷却板３１２を圧入しても良い。そのようにすると、コイル２１８の端面と冷却板３１２の間に生じる隙間を小さくして密着性を向上させることができるので、冷却性能をより向上させることができる。
【０１３４】
上記のように冷却板３１２を設けた場合は、図１９に示す状態のコイル全体に上記熱収縮テープまたはプリプレグテープを巻いて加熱硬化させれば良い。それによって、冷却板３１２の固定および密着をも行うことができる。
【０１３５】
そして最後に、必要に応じて、冷却板３１２を設けている場合もいない場合も、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８を含めたコイル全体を、樹脂でモールドしても良い。そのようにすると、コイルの耐湿性能、絶縁性能、機械的強度等をより向上させることができる。その場合、上記樹脂に５〜３０重量％のフィラー（充填剤）を混合しておくのが好ましい。そのようにすると、樹脂の耐クラック性能等を向上させることができる。
【０１３６】
第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４も上記と同様にして、両コイル２１２、２２４を一体化したものとして製造することができる。また、後述する、即ち図２２〜図２４に示すコイル３２０、図２５に示す第１コイル３２６、第２コイル３２８、図２６に示す内側コイル３３０、第１外側コイル２１８、第２外側コイル２２４も、上記と同様にして製造することができる。内外のコイルは一体化して製造することができる。
【０１３７】
上記コイル２０６、２１８、２１２、２２４を用いて、図４、図５等に示した分析電磁石２００を組み立てるのは、例えば次の手順で行えば良い。即ち、ヨーク２３０の上部ヨーク２３１を取り外しておいて、まずヨーク２３０内に第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４が一体化されたものを上から入れ、次に真空容器２３６を上から入れ、次に第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８が一体化されたものを上から入れ、最後に上部ヨーク２３１を取り付ける。
【０１３８】
（２−４）分析電磁石２００の特長等
上記分析電磁石２００においては、第１内側コイル２０６および第１外側コイル２１８は、上記のような扇型筒状の積層コイル２９０に本体部２０８、２２０および渡り部２１０、２２２を残して切欠き部２７２〜２７５を設けた構成をしているので、渡り部２１０、２２２は、本体部２０８、２２０の端部からＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっている。従って、本体部２０８、２２０のＹ方向における寸法を大きくする場合でも、それに対応させて渡り部２１０、２２２のＹ方向における寸法を大きくすれば済むので、ビーム入出射方向への渡り部２１０、２２２の張り出し距離は大きくならない。
【０１３９】
上記のことを、第１内側コイル２０６を例に図８を参照して説明すると、本体部２０８のＹ方向の寸法ａを大きくする場合、それに対応させて、渡り部２１０のＹ方向の寸法ｃを大きくすれば済む。具体的には、寸法ａとｃとを互いに実質的に等しくしている。従って、寸法ａを大きくする場合でも、イオンビーム５０の入出射方向への渡り部２１０の張り出し距離Ｌ3 （図４参照）は大きくならない。当該張り出し距離Ｌ3 は、ヨーク２３０の端面と渡り部２１０の端面との間の距離Ｌ5 と、渡り部２１０の厚さｂとで決まる。即ち、張り出し距離Ｌ3 は次式で表すことができる。ちなみに、第１内側コイル２０６の上記構造説明からも分かるように、本体部２０８の厚さもｂである。
【０１４０】
［数２］
Ｌ3 ＝ｂ＋Ｌ5 
【０１４１】
上記数２には、従来の分析電磁石４０の張り出し距離Ｌ1 を表す上記数１と違って、Ｙ方向の寸法ａは含まれていない。この点が従来の分析電磁石４０と大きく異なる特長である。
【０１４２】
しかも、上記距離Ｌ5 も、従来の分析電磁石４０の距離Ｌ2 に比べて小さくすることができる。これは、渡り部２１０は、従来のコイル１２のように曲げ加工によって渡り部１６を斜めに跳ね上げて形成したものではなく、前述したように扇型筒状の積層コイル２９０に切欠き部２７２〜２７５を設けて形成したものであり、渡り部２１０はＹ方向に実質的に平行に延出した状態になっているからである。加えて、切削加工等によって、本体部２０８と渡り部２１０との境の角部２５４を、丸みの少ない直角に近い状態にすることができるからである。
【０１４３】
上記のような理由から、ヨーク２３０からの渡り部２１０のビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ3 を小さくすることができる。
【０１４４】
第２内側コイル２１２および第２外側コイル２２４についても同様である。
【０１４５】
例えば、Ｙ方向の寸法ａを同じ２５０ｍｍにした場合、従来の分析電磁石４０では張り出し距離Ｌ1 は約３００ｍｍにもなるのに対して、上記分析電磁石２００では張り出し距離Ｌ3 は約１１０ｍｍで済む。
【０１４６】
上記と同様の理由によって、この実施形態の分析電磁石２００のように内側コイル２０６、２１２と外側コイル２１８、２２４とを二重に設けている場合でも、外側のコイル２１８のヨーク２３０からのビーム入出射方向への張り出し距離Ｌ4 を小さくすることができる。従来の分析電磁石４０において、仮に内外二重にコイルを配置しようとすると、渡り部の張り出し距離は非常に大きくなる。
【０１４７】
上記理由によって、分析電磁石２００の小型化が可能になり、ひいては分析電磁石２００の設置に必要な面積を小さくすることができる。分析電磁石２００の軽量化も可能になる。また、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の渡り部が発生する磁界がイオンビーム５０の形態を乱す可能性も小さくなる。
【０１４８】
また、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の渡り部の張り出し距離を小さくすることができることに伴って、渡り部の長さも短くすることができるので、渡り部における無駄な消費電力を小さくすることができる。
【０１４９】
しかも、各コイル２０６、２１８、２１２、２２４は、前述したように、絶縁シート２６６、２６７を挟んで導体シート２６８、２６９を積層した構造をしているので、被覆導体を多数回巻いたマルチターンコイルに比べて、導体の占積率が高く、そのぶん電力損失が少ない。従って、消費電力を小さくすることができる。
【０１５０】
例えば、各コイルのＹ方向の寸法ａを２５０ｍｍとした場合、従来の被覆導体のマルチターンコイルの導体の占積率は、中空でない（ホローコンダクターでない）場合でも約６０〜７０％であり、ホローコンダクターの場合は更に小さくなるのに対して、上記各コイル２０６、２１８、２１２、２２４の導体の占積率は、約８４〜８５％にすることが可能である。
【０１５１】
その結果、上記分析電磁石２００によれば、従来の分析電磁石４０に比べて少ない消費電力で所要強度の磁界を発生させることができる。消費電力を同程度にして、従来の分析電磁石４０に比べて強い磁界を発生させることもできる。後者のようにすれば、イオンビーム偏向の曲率半径Ｒを小さくして、分析電磁石２００をより小型化することができる。  
【０１５２】
例えば、各コイルのＹ方向の寸法ａを２５０ｍｍとし、従来の分析電磁石４０と同じように二つのコイル２０６、２１２で０．２テスラの磁界を発生させる場合（コイル２１８、２２４は使用しない）、従来の分析電磁石４０の消費電力は約６７ｋＷであるのに対して、上記分析電磁石２００の消費電力は約２４ｋＷで済む。
【０１５３】
更に、この実施形態の分析電磁石２００は、上記のような第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２を備えているので、上下一つのコイルの場合に比べて、Ｙ方向の寸法ＷY が大きいイオンビーム５０に対応することが容易になる。
【０１５４】
しかも、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４によって、主磁界の補正を行う副磁界を発生させることができる。この副磁界によって、主磁界を補正して、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性を高めることができる。各外側コイル２１８、２２４によって発生させる副磁界は、主磁界に比べて弱いもので良いので、制御も容易である。
【０１５５】
上記のような主磁界および副磁界によって、ビーム経路２０２に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、この分析電磁石２００から出射する時のイオンビーム５０の形態の乱れ（曲がり、傾き等。以下同様）を小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法ＷY が大きい場合により顕著になる。
【０１５６】
第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４がそれぞれ一つずつでも、上記主磁界を補正する効果を奏することはできるけれども、この実施形態のように複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４を備えている方が好ましい。その場合はこれらの外側コイル２１８、２２４によって、ビーム経路２０２に発生させる磁界のＹ方向における磁束密度分布をよりきめ細かく補正することができるので、Ｙ方向においてより均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れをより小さく抑えることができる。
【０１５７】
（２−５）分析電磁石２００の制御方法
上記分析電磁石２００の制御方法の例を説明すると、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が、入射時のイオンビーム５０の形態に近づくように、各第１外側コイル２１８および各第２外側コイル２２４に流す電流を制御すれば良い。
【０１５８】
より具体的には、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の内で、Ｙ方向に実質的に平行な所定の中心軸（図２０、図２１に示す中心軸３１８）よりも曲率半径Ｒの内側に曲がり過ぎている部分に対応する第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４に流す電流を減らすことと、当該内側への曲がりが不足している部分に対応する第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４に流す電流を増やすことの少なくとも一方を行って、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態を上記中心軸に平行なものに近づける。これによって、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態を、傾きがなくかつ真っ直ぐなものにして、入射時の形態に近づけることができる。
【０１５９】
分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態の例を図２０、図２１にそれぞれ示す。両図において、Ｘ方向に実質的に平行な所定の中心軸を３１８、前記対称面を２３４、イオンビーム５０の中心軌道を５４、その曲率半径をＲとしている。
【０１６０】
図２０に示す形態の場合は、イオンビーム５０の進行方向Ｚに見てイオンビーム５０の形態に乱れはないので、各第１外側コイル２１８ａ〜２１８ｃおよび各第２外側コイル２２４ａ〜２２４ｃに流している電流の値を維持すれば良い。
【０１６１】
図２１に示す形態の場合は、イオンビーム５０がその進行方向Ｚに見てく字状に近い円弧状に歪んで（曲がって）いるので、即ちＹ方向の上側ほど曲率半径Ｒの内側に曲がり過ぎており、かつ下側ほど内側に曲がり過ぎているので、第１外側コイル２１８ａに流す電流を大きく減らし、第１外側コイル２１８ｂに流す電流を少し減らし、第１外側コイル２１８ｃおよび第２外側コイル２２４ｃに流す電流は現状維持し、第２外側コイル２２４ｂに流す電流を少し減らし、第２外側コイル２２４ａに流す電流を大きく減らす。これによって、分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の中心軌道５４の位置を維持しつつ、その形態を中心軸３１８に平行なものに近づけることができる。即ち、図２０に示す形態に近づけることができる。
【０１６２】
分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が図２１以外のものに乱れている場合も、上記と同様の考え方で補正して、図２０に示す形態に近づけることができる。  
【０１６３】
分析電磁石２００から出射するイオンビーム５０の形態が乱れた場合の主な問題は次のとおりであるが、上記制御方法によればこのような問題の発生を防止することができる。  
【０１６４】
分析電磁石２００の下流側には、通常、図１に示した分析スリット７０が設けられている。この分析スリット７０のスリット７２は直線であるので、イオンビーム５０の形態が乱れると、分析スリット７０によってカットされる部分が生じ、分析スリット７０を通過する所望イオン種のイオンビーム５０の量が減る。カットされる部分が生じるから、イオンビーム５０の均一性も悪くなる。カットされるのを避けるためにスリット７２のＸ方向の幅を広げると、分解能が低下する。
【０１６５】
分析スリット７０における上記のような問題以外にも、形態の乱れたイオンビーム５０を用いて基板６０にイオン注入を行うと、注入の均一性が悪くなるという問題が生じる。  
【０１６６】
（２−６）分析電磁石２００の他の実施形態
次に、分析電磁石２００の他の実施形態を説明する。図４〜図７等に示した先の実施形態と同一または相当する部分には同一符号を付して重複説明を省略し、以下においては当該実施形態との相違点を主体に説明する。
【０１６７】
図２４に示す分析電磁石２００は、図２２も参照して、コイルとして、ビーム経路２０２を挟んでＸ方向において相対向している一組の本体部３２２および両本体部３２２のＺ方向に沿う方向における端部同士間をビーム経路２０２を避けて接続している二組の渡り部３２４、３２５を有していて、イオンビーム５０をＸ方向に曲げる磁界を発生させるコイル３２０を備えている。図２２中の上側の二つの渡り部３２４が一組の渡り部、下側の二つの渡り部３２５がもう一組の渡り部である。
【０１６８】
このコイル３２０は、その断面構造を図２３に示すように、上記第１内側コイル２０６（図１０参照）や、積層コイル２９０の内側コイル２９２（図１５参照）と同じ断面構造をしている。即ちこのコイル３２０は、上記内側コイル２９２と同じ構造をした扇型筒状の積層コイルに、本体部３２２および渡り部３２４、３２５を残して、切欠き部２７６〜２８１を設けた構成をしている。このコイル３２０も、前記と同様の製造方法によって作ることができる。
【０１６９】
このコイル３２０は、上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２（図８参照）を上下で一体化して一つのコイルにしたようなものである。
【０１７０】
切欠き部２７６、２７７は、上記切欠き部２７２、２７３と同様の形状をしている。切欠き部２７８、２７９は、切欠き部２７６、２７７と対称面（図２４参照）に関して面対称の形状をしている。切欠き部２８０、２８１は、より具体的には貫通孔であり、それぞれ上記入口２３８、出口２４０を形成している。ここをイオンビーム５０が通過することができる。より具体的には、上記真空容器２３６を通してその中をイオンビーム５０が通過することができる。
【０１７１】
このコイル３２０に上記真空容器２３６を通すには、例えば、真空容器２３６を、切欠き部２８０、２８１を通してＺ方向に挿入すれば良い。その場合、真空容器２３６にフランジ等がついていて邪魔になるのであれば、一旦それを外せば良い。分析電磁石２００を組み立てる場合も同様の方法で行えば良い。
【０１７２】
各渡り部３２４は、上記第１内側コイル２０６の渡り部２１０と同様の構造をしている。各渡り部３２５は、各渡り部３２４と対称面２３４に関して面対称の形状をしている。  
【０１７３】
本体部３２２のＹ方向の寸法ａ1 は、渡り部３２４のＹ方向の寸法ｃ1 と渡り部３２５のＹ方向の寸法ｃ1 とを合計したもの（即ち２ｃ1 ）に実質的に等しくしている。
【０１７４】
この実施形態の分析電磁石２００も、そのコイル３２０が上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２を一体化したような構造をしているので、前記と同様の理由によって、コイル３２０の渡り部３２４、３２５のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。
【０１７５】
図２５に示す分析電磁石２００は、コイルとして、互いに協働してイオンビーム５０をＸ方向に曲げる磁界を発生させる第１コイル３２６および第２コイル３２８を備えている。両コイル３２６、３２８は、それぞれ、上記第１内側コイル２０６、第２内側コイル２１２（図８参照）と同様の構造をしている。従ってこの第１コイル３２６および第２コイル３２８も、それぞれ、前記と同様の製造方法によって作ることができる。
【０１７６】
この実施形態の分析電磁石２００も、その第１コイル３２６および第２コイル３２８が上記第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２と同様の構造をしているので、前記と同様の理由によって、コイルの渡り部のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。
【０１７７】
また、上記のような第１コイル３２６および第２コイル３２８を備えているので、Ｙ方向の寸法ＷY が大きいイオンビーム５０に対応することが容易になる。
【０１７８】
図２６に示す分析電磁石２００は、コイルとして、上記コイル３２０と同様の構造をしていてイオンビーム５０をＸ方向に曲げる主磁界を発生させる内側コイル３３０と、内側コイル３３０の外側にあって主磁界の補助または補正を行う副磁界を発生させる前述したような第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４とを備えている。即ち、図５等に示す第１内側コイル２０６および第２内側コイル２１２に代えて内側コイル３３０を備えている。従ってこの内側コイル３３０、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４も、前記と同様の製造方法によって作ることができる。
【０１７９】
これらのコイルを製造する場合の特有の事項を説明すると、軸方向の寸法（高さ）を所要のものにした上記積層コイル２９０（図１４参照）を用いて、その内側コイル２９２および外側コイル２９４に図２２の切欠き部２７６〜２８１と同様の切欠き部を切削加工等によって設け、かつ外側コイル２９４に、図７に示す隙間２４８と同様の隙間を切削加工等によって設けて第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を形成すれば良い。第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４をそれぞれ複数に分けるのは、図７の場合と同様である。
【０１８０】
第１外側コイル２１８は、図２６に示す例では二つであるが、それに限られるものではなく、１以上で任意である。第２外側コイル２２４も同様である。
【０１８１】
この実施形態の分析電磁石２００も、上記のような内側コイル３３０、第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を備えているので、前記と同様の理由によって、コイルの渡り部のヨーク２３０からの張り出し距離を小さくして分析電磁石２００の小型化を可能にすると共に、消費電力を小さくすることができる等の効果を奏する。
【０１８２】
また、内側コイル３３０に加えて、上記のような第１外側コイル２１８および第２外側コイル２２４を備えているので、イオンビーム５０のビーム経路２０２に、Ｙ方向における磁束密度分布の均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れを小さく抑えることができる。この効果は、対象とするイオンビーム５０のＹ方向の寸法ＷY が大きい場合により顕著になる。
【０１８３】
更に、複数の第１外側コイル２１８および複数の第２外側コイル２２４を備えていることによって、前述したように、これらの外側コイル２１８、２２４によって、ビーム経路２０２に発生させる磁界のＹ方向における磁束密度分布をよりきめ細かく補正することができるので、Ｙ方向においてより均一性の高い磁界を発生させることができる。その結果、出射時のイオンビーム５０の形態の乱れをより小さく抑えることができる。
【０１８４】
（３）イオン源１００について
図１に示したイオン源１００の例を、図２７、図２８を参照して説明する。
【０１８５】
このイオン源１００は、Ｙ方向に走査された電子１１０を発生させる走査形電子源１０４と、この走査形電子源１０４からの電子１１０が入射されるプラズマ生成容器１２２と、このプラズマ生成容器１２２内で生成されたプラズマ１３２からイオンビーム５０を引き出す引出し電極系１３４とを備えている。
【０１８６】
走査形電子源１０４は、この実施形態では、電子１１０を放出するフィラメント１０８と、当該電子１１０をフィラメント１０８から引き出す引出し電極１１２と、この引出し電極１１２から引き出された電子１１０を静電的にＹ方向に走査する一対の走査電極１１４とを備えており、これらは末広がりの形状をした真空容器１０６内に収納されている。  
【０１８７】
フィラメント１０８の両端には、当該フィラメント１０８を加熱して電子（熱電子）１１０を放出させるフィラメント電源１１８が接続されている。このフィラメント電源１１８は、この実施形態では直流電源であるが、交流電源でも良い。
【０１８８】
フィラメント１０８の一端と引出し電極１１２との間には、前者を負極側（換言すれば、後者を正極側）にして直流の引出し電圧ＶE を印加する引出し電源１２０が接続されている。簡単に言えば、この引出し電圧ＶE の大きさによって、引き出される電子１１０のエネルギーが決まり、当該エネルギーはＶE ｅＶとなる。この電子１１０のエネルギーは、プラズマ生成容器１２２内において電子衝撃によってガス１２８を電離させることができる大きさにしておく。例えば、ガス１２８が後述するようなガスである場合、５００ｅＶ〜３ｋｅＶ程度に、より具体的には１ｋｅＶ程度にすれば良い。即ち、引出し電圧ＶE の大きさは、例えば、５００Ｖ〜３ｋＶ程度に、より具体的には１ｋＶ程度にすれば良い。
【０１８９】
一対の走査電極１１４には、この例では、互いに１８０度位相の異なる三角波状の走査電圧ＶS1、ＶS2をそれぞれ印加する走査電源１１６、１１７がそれぞれ接続されている。このような二つの走査電源１１６、１１７を設けるのは、一対の走査電極１１４間の電位を常に０Ｖにするためであるが、そのようにせずに、一対の走査電極１１４間に三角波状の走査電圧を印加する一つの走査電源を設けても良い。
【０１９０】
また、ここでは、走査電極１１４およびそれ用の電源から成る静電走査手段によって電子１１０を静電的に走査する例を示しているが、それの代わりに、磁場によって電子１１０をＹ方向に走査する磁場走査手段を設けても良い。より具体的には、磁場によって電子１１０をＹ方向に走査する走査コイルおよびそれ用の電源を設けても良い。
【０１９１】
走査形電子源１０４を構成する真空容器１０６の先端部にプラズマ生成容器１２２が接続されている。当該接続側のプラズマ生成容器１２２の壁面には、Ｙ方向に沿って伸びるスリット状の電子入射口１２４が設けられており、そこを通してＹ方向に走査された電子１１０がプラズマ生成容器１２２内に入射される。電子入射口１２４は、このようなスリット状にしておくのが好ましく、そのようにすると、プラズマ生成容器１２２内に導入されたガス１２８（以下を参照）が、走査形電子源１０４側へ流出するのを抑制することができる。
【０１９２】
プラズマ生成容器１２２内には、ガス導入口１２６を通して、イオン化するためのガス（蒸気の場合を含む）１２８が導入される。このガス１２８は、所望の元素（例えばＢ、Ｐ、Ａs 等のドーパント）を含むガスである。より具体例を挙げれば、ＢＦ3 、ＰＨ3 、ＡsＨ3 、Ｂ2Ｈ6 等の原料ガスを含むガスである。
【０１９３】
プラズマ生成容器１２２は、イオンビーム５０の引出し方向であるＺ方向（図２７の紙面表方向）側の面に、Ｙ方向に沿って伸びるイオン引出しスリット１３０を有している。このイオン引出しスリット１３０を通してイオンビーム５０がＺ方向に引き出される。
【０１９４】
プラズマ生成容器１２２内であって電子入射口１２４とは反対側の部分には、この例のように、反射電源１４６から負の反射電圧ＶR が印加されて前記入射された電子１１０を反射させる板状の反射電極１４２を設けておくのが好ましい。４４は絶縁物である。この反射電極１４２は、Ｙ方向に走査された電子１１０の全域をカバーできる大きさにしておくのが好ましい。
【０１９５】
上記反射電圧ＶR の絶対値｜ＶR ｜は、前記引出し電圧ＶE の絶対値｜ＶE ｜とほぼ等しくするのが好ましい。｜ＶR ｜が｜ＶE ｜よりあまり小さいと、反射電極１４２によって電子１１０を反射する作用が小さくなって電子１１０が反射電極１４２に衝突して消滅しやすくなり、｜ＶR ｜が｜ＶE ｜よりあまり大きいと、反射電極１４２によって電子１１０を反射する作用が大きくなり過ぎて反射された電子がプラズマ生成容器１２２内に存在しにくくなり、いずれの場合も、反射された電子１１０をプラズマ１３２の生成にあまり効果的に利用することができず、プラズマ１３２の生成効率を高める効果があまり期待できなくなるからである。
【０１９６】
図２８に示すように、プラズマ生成容器１２２の外側であってイオン引出しスリット１３０の近傍に、プラズマ生成容器１２２内のプラズマ１３２からイオン引出しスリット１３０を通して前述したようなリボン状のイオンビーム５０をＺ方向に引き出す引出し電極系１３４を設けている。この引出し電極系１３４は、図示例では１枚の電極１３６から成るが、２枚以上の電極で構成されていても良い。各電極は、プラズマ生成容器１２２のイオン引出しスリット１３０に対応する形状をしたスリット（電極１３６のスリット１３７参照）を有している。この例では、イオンビーム引き出し用に、この引出し電極系１３４を構成する電極１３６とプラズマ生成容器１２２との間に、前者を負極側（換言すれば後者を正極側）にしてビーム引出し電源１４０から直流のビーム引出し電圧ＶEXが印加される。簡単に言えば、このビーム引出し電圧ＶEXの大きさによって、引き出されるイオンビーム５０のエネルギーが決まる。
【０１９７】
上記イオン源１００の動作を説明すると、走査形電子源１０４からプラズマ生成容器１２２内に、Ｙ方向に走査されてＹ方向に幅広の電子１１０が入射され、この電子１１０による衝撃によってガス１２８が電離されて、プラズマ生成容器１２２内には、Ｙ方向に広いプラズマ１３２が生成される。しかも、このプラズマ１３２の生成は、Ｙ方向に走査された電子１１０によって連続して均一に行われるので、Ｙ方向において均一性の良いプラズマ１３２が生成される。
【０１９８】
そしてこのプラズマ１３２から、Ｙ方向に沿って伸びるイオン引出しスリット１３０を通して、引出し電極系１３４によって、断面がＹ方向に長いリボン状のイオンビーム５０が引き出される。しかも、上記のようにＹ方向において均一性の良いプラズマ１３２が生成されるので、Ｙ方向におけるビーム電流密度分布の均一性の良いイオンビーム５０を発生させることができる。
【０１９９】
このようなイオンビーム５０を、図１に示す基板６０まで輸送して基板６０に照射することによって、大面積の基板６０の広い領域に均一性良くイオンビーム５０を照射して、広い領域に均一性良くイオン注入を行うことができる。
【０２００】
また、この例のように反射電極１４２を設けておくと、プラズマ生成容器１２２内に入射した電子１１０をプラズマ生成容器１２２内側へ反射させることができるので、プラズマ生成容器１２２内における電子１１０の寿命を長くして、当該電子１１０の衝撃によるプラズマ１３２の生成効率を高めてプラズマ密度を高めることができる。その結果、発生させるイオンビーム量を増大させることができる。
【０２０１】
プラズマ生成容器１２２内に、熱電子を放出するフィラメントを設けておいて、このフィラメントとプラズマ生成容器１２２との間に前者を負極側にして直流電圧（アーク電圧）を印加して、この熱電子による衝撃によってガス１２８を電離させることを、上記電子１１０によるガス１２８の電離と併用しても良い。そのようにすれば、より密度の高いプラズマ１３２を発生させて、より大電流のイオンビーム５０を発生させることができる。  
【０２０２】
上記フィラメントの形状、数は、特定のものに限定されない。例えば、Ｕ字状のフィラメントを複数本設けても良いし、直線状（換言すれば棒状）のフィラメントを１本または複数本設けても良い。
【０２０３】
また、フィラメントを併用する場合および併用しない場合のいずれにおいても、上記注入位置近傍でのイオンビーム５０のＹ方向におけるビーム電流密度分布を測定するビーム測定器８０（図１参照）を用いて、当該ビーム測定器８０で測定するビーム電流密度分布が均一に近づくように、電子１１０の走査速度を制御しても良い。例えば、上記測定ビーム電流密度分布が均一に近づくように、走査電源１１６、１１７から出力する走査電圧ＶS1、ＶS2の波形を、三角波状から変形させた波形に整形しても良い。より具体例を挙げると、ビーム測定器８０からの測定情報に基づいて、ビーム電流密度が相対的に大きい領域に対応する領域での電子１１０の走査速度を大きくすることと、ビーム電流密度が相対的に小さい領域に対応する領域での電子１１０の走査速度を小さくすることの少なくとも一方を、好ましくは両方を行えば良い。
【０２０４】
上記のように制御することによって、基板６０に入射するイオンビーム５０のＹ方向におけるビーム電流密度分布をより均一にして、基板６０に対するイオン注入の均一性をより高めることができる。フィラメントを併用する場合は、フィラメント付近のプラズマ密度が濃くなりやすいので、上記のように制御することによる効果はより大きくなる。上記制御を、図１に示す制御装置９０によって行わせても良い。
【０２０５】
図１に示したイオン注入装置において、上記のようなイオン源１００および上記のような分析電磁石２００を併用することによって、Ｙ方向の寸法の大きい（例えば直径が３００ｍｍ〜４００ｍｍ程度の）大型の基板６０に対しても、均一性の良いイオン注入を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０６】
【図１】この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略平面図である。
【図２】リボン状のイオンビームの一例を部分的に示す概略斜視図である。
【図３】イオンビームと基板のＹ方向における寸法の関係の例を示す図である。
【図４】この発明に係る分析電磁石の一実施形態を示す平面図である。
【図５】図４の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図６】図４に示した分析電磁石を、真空容器を除いて示す斜視図である。
【図７】図４に示した分析電磁石のコイルを示す斜視図である。
【図８】図７に示した第１内側コイルおよび第２内側コイルを示す斜視図である。
【図９】図７中の線Ｄ−Ｄに沿って、第１内側コイルおよび第１外側コイルの断面を拡大して示す概略図である。
【図１０】図９に示した第１内側コイルおよび一番上の第１外側コイルを分解して示す断面図である。
【図１１】図１０に示した導体シートが巻かれている様子を示す概略平面図である。
【図１２】図８に示した第１内側コイルを示す斜視図である。
【図１３】図４に示した分析電磁石のコイル用の電源構成の一例を示す図である。
【図１４】図７に示した第１内側コイルおよび第１外側コイル等の元になる積層コイルの一例を示す斜視図である。
【図１５】図１４中の線Ｆ−Ｆに沿って、内側コイルおよび外側コイルの断面を分解して示す図である。
【図１６】型を用いてプリプレグシートを巻く様子の一例を示す平面図である。
【図１７】型を用いて絶縁シートおよび導体シートを巻く様子の一例を示す平面図である。
【図１８】型を用いて巻いた後の積層コイルの一例を示す平面図である。
【図１９】第１内側コイルおよび第１外側コイルに冷却板を取り付けた一例を示す断面図である。
【図２０】分析電磁石から出射した直後の、正常な形態を有するイオンビームの例を示す図である。
【図２１】分析電磁石から出射した直後の、歪んだ形態を有するイオンビームの一例を示す図である。
【図２２】分析電磁石のコイルの他の例を示す斜視図である。
【図２３】図２２中の線Ｊ−Ｊに沿って、コイルの断面を分解して示す図である。
【図２４】この発明に係る分析電磁石の他の実施形態を示す断面図であり、図５に相当している。
【図２５】この発明に係る分析電磁石の更に他の実施形態を示す断面図であり、図５に相当している。
【図２６】この発明に係る分析電磁石の更に他の実施形態を示す断面図であり、図５に相当している。
【図２７】イオン源の一例を、イオンビーム引出し方向側から見て示す断面図である。
【図２８】図２７に示したイオン源を、走査形電子源の背後側から見て示す図である。
【図２９】従来の分析電磁石の一例を示す斜視図であり、コイルの形状を分かりやすくするためにヨークは二点鎖線で示している。
【符号の説明】
【０２０７】
５０  イオンビーム
６０  基板
１００  イオン源
１０４  走査形電子源
１１０  電子
１２２  プラズマ生成容器
２００  分析電磁石
２０６  第１内側コイル
２０８  本体部
２１０  渡り部
２１２  第２内側コイル
２１４  本体部
２１６  渡り部
２１８  第１外側コイル
２２０  本体部
２２２  渡り部
２２４  第２外側コイル
２２６  本体部
２２８  渡り部
２３０  ヨーク
２３２  磁極
２６１〜２６３  積層絶縁体
２６６、２６７  絶縁シート
２６８、２６９  導体シート
２７２〜２８１  切欠き部
２８２  縦部
２８４  横部
２９０  積層コイル
３２０  コイル
３２６  第１コイル
３２８  第２コイル
３３０  内側コイル
５００  基板駆動装置
【図１】
2008084679.tif 000003
【図２】
2008084679.tif 000004
【図３】
2008084679.tif 000005
【図４】
2008084679.tif 000006
【図５】
2008084679.tif 000007
【図６】
2008084679.tif 000008
【図７】
2008084679.tif 000009
【図８】
2008084679.tif 000010
【図９】
2008084679.tif 000011
【図１０】
2008084679.tif 000012
【図１１】
2008084679.tif 000013
【図１２】
2008084679.tif 000014
【図１３】
2008084679.tif 000015
【図１４】
2008084679.tif 000016
【図１５】
2008084679.tif 000017
【図１６】
2008084679.tif 000018
【図１７】
2008084679.tif 000019
【図１８】
2008084679.tif 000020
【図１９】
2008084679.tif 000021
【図２０】
2008084679.tif 000022
【図２１】
2008084679.tif 000023
【図２２】
2008084679.tif 000024
【図２３】
2008084679.tif 000025
【図２４】
2008084679.tif 000026
【図２５】
2008084679.tif 000027
【図２６】
2008084679.tif 000028
【図２７】
2008084679.tif 000029
【図２８】
2008084679.tif 000030
【図２９】
2008084679.tif 000031