(57)【要約】【課題】  シート状のイオンビームの質量分離を軽量かつ小型の装置で実現する。【解決手段】  この質量分離装置１２は、所定のエネルギーに加速されたシート状のイオンビーム８の経路を挟んで対向するように配置されて対を成す電極１４であって、各電極１４はイオンビーム８の幅方向に沿って伸びており、かつこのような対を成す電極１４がイオンビーム８の進行方向Ｚに複数配列されて成る複数対の電極１４と、各対の電極１４を用いて、イオンビーム８にその進行方向Ｚと垂直な方向成分を持つ一定周期の振動電界を印加するように、各対の電極１４間に一定周期の振動電圧ＶB を印加する振動電源１６とを備えていて、イオンビーム８中の所望の質量のイオン８ｄを、前記振動電界に同期させて振動させながら選択的に導出するように構成されている。【選択図】  図１
2005085538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のエネルギーに加速されたシート状のイオンビームを質量分離する質量分離装置であって、
前記イオンビームの経路を挟んで対向するように配置されて対を成す電極を有し、各電極は前記イオンビームの幅方向に沿って伸びており、かつこのような対を成す電極が前記イオンビームの進行方向に複数配列されて成る複数対の電極と、
前記各対の電極を用いて、前記イオンビームにその進行方向と垂直な方向成分を持つ一定周期の振動電界を印加するように、前記各対の電極間に一定周期の振動電圧を印加する振動電源とを備えていて、
前記イオンビーム中の所望の質量のイオンを、前記振動電界に同期させて振動させながら選択的に導出するように構成されていることを特徴とする質量分離装置。
【請求項２】
前記振動電源から、前記複数対の電極の隣り合う電極に同位相の振動電圧を印加するように構成している請求項１記載の質量分離装置。
【請求項３】
前記振動電源から、前記複数対の電極の隣り合う電極に逆位相の振動電圧を印加するように構成している請求項１記載の質量分離装置。
【請求項４】
前記複数対の電極は円弧を成すように並べられていて、前記振動電源から、前記複数対の電極の隣り合う電極に逆位相の振動電圧を印加するように構成している請求項１記載の質量分離装置。
【請求項５】
前記振動電圧が正弦波交流電圧であり、前記振動電源が当該正弦波交流電圧を出力する正弦波交流電源であり、前記振動電界が正弦波交流電界である請求項１、２、３または４記載の質量分離装置。
【請求項６】
前記振動電圧が方形波交流電圧であり、前記振動電源が当該方形波交流電圧を出力する方形波交流電源であり、前記振動電界が方形波交流電界である請求項１、２、３または４記載の質量分離装置。
【請求項７】
前記振動電圧が単極性の方形波電圧であり、前記振動電源が当該方形波電圧を出力する方形波電源であり、前記振動電界が方形波電界である請求項１、２、３または４記載の質量分離装置。
【請求項８】
前記各対の電極が、互いに平行な棒状の電極である請求項１ないし７のいずれかに記載の質量分離装置。
【請求項９】
前記各対の電極が、互いに平行な板状の電極である請求項１ないし７のいずれかに記載の質量分離装置。
【請求項１０】
前記振動電源は、それから出力する前記振動電圧の周波数が可変の電源である請求項１ないし９のいずれかに記載の質量分離装置。
【請求項１１】
前記複数対の電極の隣り合う電極の中心間の距離を調整する電極間隔調整機構を備えている請求項１ないし１０のいずれかに記載の質量分離装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の質量分離装置において、前記振動電圧の周波数を調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することを特徴とする質量分離方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の質量分離装置において、前記イオンビームのエネルギーを調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することを特徴とする質量分離方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の質量分離装置において、前記複数対の電極の隣り合う電極の中心間の距離を調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することを特徴とする質量分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定のエネルギーに加速されたシート状のイオンビームから、所望の質量のイオンを選択的に導出する（即ち質量分離する）質量分離装置および質量分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大面積の被照射物にイオンビームを照射してイオン注入、イオンドーピング等の処理を施す場合に、処理効率を向上させる等のために、シート状のイオンビームを用いる場合がある。
【０００３】
シート状のイオンビームとは、幅に比べて厚さが十分に小さい形状のイオンビームを言う。薄板状、リボン状等と呼ぶ場合もある。イオンビーム進行方向に直角に切った断面は、細長い長方形をしている。
【０００４】
被照射物には、余分な温度上昇や不純物混入等を避けるために、一般的には、質量分離を行ったイオンビームが照射される。
【０００５】
質量分離装置としては、例えば特許文献１にも記載されているように、静磁界を用いてイオンビームをローレンツ力によって曲げて質量分離を行う質量分離電磁石が一般的に利用されてきた。
【０００６】
また、交流電圧を用いた質量分離装置としては、例えば特許文献２にも記載されているように、四重極構造電極に直流電圧と交流電圧とを与えて質量分離を行う四重極型質量分離装置が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】実開昭６４−７７５３号公報（第１図）
【特許文献２】特開平７−２４５０８０号公報（段落０００８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記質量分離電磁石は、細いイオンビームの質量分離には有効であっても、質量分離を行うために加える磁界の方向に長い断面を持つシート状のイオンビームに対しては、幾つかの課題がある。即ち、精度の高い質量分離を行うためには、シート状のイオンビームの幅方向という長い領域に均一な磁界を発生させる必要があり、そのためには大型の鉄心が必要になるので、質量分離電磁石が大型化かつ大重量化してしまう。
【０００９】
一方、上記四重極型質量分離装置では、イオンビームが四重極電極の中心軸付近を通るときにのみ効果的な質量分離が行われるので、イオンビームはペンシル状に細いビームである必要があり、シート状のイオンビームの質量分離には不適である。
【００１０】
そこでこの発明は、シート状のイオンビームの質量分離を軽量かつ小型の装置で実現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】
【００１１】
この発明に係る質量分離装置は、所定のエネルギーに加速されたシート状のイオンビームの経路を挟んで対向するように配置されて対（つい）を成す電極であって、各電極は前記イオンビームの幅方向に沿って伸びており、かつこのような対を成す電極が前記イオンビームの進行方向に複数配列されて成る複数対の電極と、前記各対の電極を用いて、前記イオンビームにその進行方向と垂直な方向成分を持つ一定周期の振動電界を印加するように、前記各対の電極間に一定周期の振動電圧を印加する振動電源とを備えていて、前記イオンビーム中の所望の質量のイオンを、前記振動電界に同期させて振動させながら選択的に導出する（通過させる）ように構成されていることを特徴としている（請求項１に相当）。
【００１２】
対を成す電極の対向の仕方は、正面に対向（正対）しているのが基本であるが、斜めに対向していても良い。
【００１３】
この質量分離装置によれば、所定のエネルギーを有するイオンビームは、その進行方向と垂直な方向成分を持つ前記振動電界によって曲げられながら進む。その場合、イオンビームのエネルギー、振動電界の周波数および隣り合う電極間の距離と一定の関係を有する質量のイオンのみが、振動電界に同期した周期運動を続けた後に装置から導出される。上記とは異なる質量を持つイオンは、振動電界に同期した周期運動を続けることはできず、途中で消滅したり、装置から上記イオンとは異なる角度に放出される。このような作用によって、イオンビーム中の所望の質量のイオンを選択的に（即ち選り分けて）導出する、即ち質量分離することができる。
【００１４】
しかもこの質量分離装置では、各電極は、シート状のイオンビームの幅方向に沿って伸びているので、シート状のイオンビームの質量分離を行うことができる。
【００１５】
より具体的な構成の例を示すと、前記振動電源から、前記複数対の電極の隣り合う電極に同位相の振動電圧を印加するように構成しても良い（請求項２に相当）。その場合、例えば、前記イオンビームのエネルギーをＫ、前記所望のイオンの質量をｍ、前記振動電圧の周波数をｆ、前記隣り合う電極の中心間の距離をＬとしたとき、次の数１の関係またはそれと数学的に等価な関係を満たすように構成することによって、所望の質量ｍのイオンのみが、振動電界に同期した周期運動を続けた後に選択的に導出される。
【００１６】
［数１］
ｆ＝（１／２Ｌ）√（２Ｋ／ｍ）
【００１７】
前記振動電源から前記複数対の電極の隣り合う電極に逆位相の振動電圧を印加するように構成しても良い（請求項３に相当）。その場合、例えば、次の数２の関係またはそれと数学的に等価な関係を満たすように構成することによって、所望の質量ｍのイオンのみが、振動電界に同期した周期運動を続けた後に選択的に導出される。
【００１８】
［数２］
ｆ＝（１／Ｌ）√（２Ｋ／ｍ）
【００１９】
前記複数対の電極を円弧を成すように並べ、前記振動電源から当該複数対の電極の隣り合う電極に逆位相の振動電圧を印加するように構成しても良い（請求項４に相当）。その場合、例えば、前記数１の関係またはそれと数学的に等価な関係を満たすように構成することによって、所望の質量ｍのイオンのみが、振動電界に同期した周期運動を続けながら全体として見れば円弧運動をして、選択的に導出される。しかも上記のように複数対の電極を円弧を成すように並べることにより、装置全体のより小型化を図ることができる。
【００２０】
前記振動電源は、正弦波交流電源でも良いし（請求項５に相当）、方形波交流電源でも良いし（請求項６に相当）、単極性の方形波電圧を出力する方形波電源でも良い（請求項７に相当）。
【００２１】
方形波交流電圧または方形波電圧は、正弦波交流電圧に比べて、一定振幅の時間が長く、所望質量のイオンの静電偏向に、電圧をより効率良く利用することができるので、所望質量のイオンの透過率が向上する。
【００２２】
前記各対の電極は、互いに平行な棒状の電極でも良いし（請求項８に相当）、互いに平行な板状の電極でも良い（請求項９に相当）。
【００２３】
互いに平行な板状の電極を用いることにより、静電偏向時におけるイオンビームの集束作用を利用することができるので、所望質量のイオンは集束を繰り返しながら輸送されて損失が少なくなり、所望質量のイオンの透過率が向上する。
【００２４】
電極形状と振動電源の種類の組み合わせとしては、棒状の電極の場合は正弦波交流電源を用い、板状の電極の場合には方形波交流電源または方形波電源を用いるのが好ましい。そのようにする方が、電極対間の振動電界の変化の仕方と電極の形状との相性が良いからである。
【００２５】
前記振動電源は、それから出力する前記振動電圧の周波数ｆが可変の電源としても良い（請求項１０に相当）。
【００２６】
このようにすると、前記数１または数２からも分かるように、振動電圧の周波数ｆを調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。
【００２７】
前記複数対の電極の隣り合う電極の中心間の距離Ｌを調整する電極間隔調整機構を備えていても良い（請求項１１に相当）。
【００２８】
このようにすると、前記数１または数２からも分かるように、上記距離Ｌを調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。
【００２９】
上記のような各質量分離装置において、振動電圧の周波数ｆ、イオンビームのエネルギーＫ、電極間距離Ｌの少なくとも一つを調整することによって、前記数１または数２からも分かるように、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。この発明に係る質量分離方法はそれを行うものである（請求項１２〜１４に相当）。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように請求項１〜４に記載の発明によれば、磁界を用いなくても、振動電界によって、シート状のイオンビームの質量分離を行うことができる。振動電界を形成する電極は、従来の電磁石に比べれば、軽量かつ小型化が可能であるので、軽量かつ小型の装置でシート状のイオンビームの質量分離を実現することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明によれば、振動電源が正弦波交流電源であるので、電源の入手が容易になる、という更なる効果を奏する。
【００３２】
請求項６または７に記載の発明によれば、方形波交流電圧または方形波電圧は、正弦波交流電圧に比べて、一定振幅の時間が長く、所望質量のイオンの静電偏向に、電圧をより効率良く利用することができるので、所望質量のイオンの透過率が向上する、という更なる効果を奏する。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、電極の中に冷媒を通すのが容易であるので、電極の冷却が容易になる、という更なる効果を奏する。
【００３４】
請求項９に記載の発明によれば、互いに平行な板状の電極を用いることにより、静電偏向時におけるイオンビームの集束作用を利用することができるので、所望質量のイオンは集束を繰り返しながら輸送されて損失が少なくなり、所望質量のイオンの透過率が向上する、という更なる効果を奏する。
【００３５】
請求項１０に記載の発明によれば、振動電圧の周波数を調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる、という更なる効果を奏する。
【００３６】
請求項１１に記載の発明によれば、隣り合う電極間距離を調整することによって、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる、という更なる効果を奏する。
【００３７】
請求項１２に記載の発明によれば、イオンビームのエネルギーや隣り合う電極間距離を変化させなくても、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。振動電圧の周波数調整は容易であるので、また電極間距離を変化させなくても良いので、選択イオンの質量調整が容易である。また、イオンビームのエネルギーを変化させなくても良いので、所望エネルギーのイオンビームを利用する上で有利である。
【００３８】
請求項１３に記載の発明によれば、振動電圧の周波数や隣り合う電極間距離を変化させなくても、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。電極間距離を変化させなくても良いので、調整が容易である。しかも、振動電圧の周波数を一定にすることができるので、電極対を含む共振回路を構成することができ、それによって電力効率を向上させることができる。
【００３９】
請求項１４に記載の発明によれば、振動電圧の周波数やイオンビームのエネルギーを変化させなくても、選択的に導出するイオンの質量を調整することができる。振動電圧の周波数を一定にすることができるので、電極対を含む共振回路を構成することができ、それによって電力効率を向上させることができる。また、イオンビームのエネルギーを変化させなくても良いので、所望エネルギーのイオンビームを利用する上で有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
図１は、この発明の一実施形態に係る質量分離装置を備えるイオンビーム照射装置の例を示す断面図である。図２は、図１中のイオンビームおよび電極対の一つを拡大して示す斜視図である。
【００４１】
このイオンビーム照射装置２は、真空容器４の一端部に絶縁物１０を介して取り付けられていて、一定のエネルギーに加速されたシート状のイオンビーム８を、真空容器４内に向けて射出するイオン源６を備えている。このイオンビーム８の射出方向（進行方向）をＺ方向とする。
【００４２】
シート状のイオンビーム８は、図２も参照して、その進行方向Ｚに直交するＸ方向の幅Ｗに比べて、Ｘ、Ｚ両方向に直交するＹ方向の厚さＴが十分に小さい。このイオンビーム８の進行方向Ｚに垂直な断面Ｓは、細長い長方形をしている。このイオンビーム８の上面、下面８ｓを、シート面と呼ぶ場合がある。
【００４３】
イオン源６と接地された真空容器４との間には、イオンビーム８を一定のエネルギーに加速する直流の加速電源１８が、前者を正極側にして接続されている。その出力電圧が加速電圧ＶA である。イオンビーム８を構成するイオンの電荷をｑとすると、イオンビーム８のエネルギーＫは次式で表される。
【００４４】
［数３］
Ｋ＝ｑ・ＶA 
【００４５】
真空容器４内には、質量分離装置１２を構成するものとして、複数対（図示例では８対だがこれに限らない）の電極１４が、イオンビーム８の進行方向Ｚに沿って直列に配置されている。その隣り合う（隣り合うとは、ビーム進行方向Ｚにおいて隣り合うものを意味する。他においても同様）電極１４の中心間の距離はいずれも同じＬである。
【００４６】
この電極１４は、イオンビーム８の経路を挟んで対向するように配置された二つの電極１４（より具体的には図中上側の電極１４ａと下側の電極１４ｂ）が対を成すよう構成されている。図１の実施形態では、各対を成す電極１４は、正面に対向（正対）している。  
【００４７】
各電極１４は、図２も参照して、イオンビーム８の幅Ｗ方向に沿って（例えば平行に）伸びている。即ち、前記Ｘ方向に伸びている。
【００４８】
各電極１４の前記Ｘ方向の長さＧは、イオンビームの幅Ｗよりも大きくするのが好ましく、当該幅Ｗよりも十分に大きくするのがより好ましい。その方が、各電極１４の端部における電界の乱れのイオンビーム８に対する影響をより小さくすることができるからである。
【００４９】
各対の電極１４は、この実施形態では、互いに平行な棒状の電極である。より具体的には、各対の電極１４は、中実または中空の丸棒状、円柱状、円筒状をしている。この方が、電界分布を滑らかにすることができるからである。また、棒状の電極は、その中に冷媒を流して冷却しやすいという利点がある。
【００５０】
更に質量分離装置１２を構成するものとして、各対の電極１４を用いて、イオンビーム８に、より具体的にはそのシート面８ｓに、ビーム進行方向Ｚと垂直な方向成分を持つ一定周期の振動電界ＥB （図２参照）を印加するように、各対の電極１４間に一定周期の振動電圧ＶB を印加する振動電源１６を備えている。より厳密に言えば、イオンビーム８の断面Ｓの中心部に、ビーム進行方向Ｚと垂直な方向成分を持つ振動電界ＥB を印加するように構成されている。この実施形態では、前記のように各対を成す電極１４は正対しているので、振動電界ＥB の殆ど全ての成分は、イオンビーム進行方向Ｚに垂直である。
【００５１】
振動電源１６は、通常は真空容器４外に配置されている。それから出力する上記振動電圧ＶB の周波数をｆとする。
【００５２】
この実施形態では、各対を成す一方側（電極１４ａ側）の電極１４はいずれも振動電源１６の一方の出力端子ａに接続されており、他方側（電極１４ｂ側）の電極１４はいずれも振動電源１６の他方の出力端子ｂに接続されている。従って、振動電源１６から、複数対の電極１４の隣り合う電極１４には、同位相の振動電圧ＶB が印加される。
【００５３】
またこの実施形態では、前記振動電圧ＶB は正弦波交流電圧であり、前記振動電源１６は当該正弦波交流電圧を出力する正弦波交流電源であり、前記振動電界ＥB は正弦波交流電界である。
【００５４】
この質量分離装置１２によれば、所定のエネルギーＫを有するイオンビーム８は、その進行方向Ｚと垂直な方向成分を持つ前記振動電界ＥB によって図示のように前記Ｙ方向に振動（蛇行）するように曲げられながら全体としてＺ方向に進む（ほぼ直進する）。
【００５５】
その場合、イオンビームのエネルギーＫ、振動電界ＥB の周波数ｆおよび隣り合う電極間の距離Ｌと一定の関係を有する質量ｍのイオン８ｄのみが、振動電界ＥB に同期した周期運動を続けた後に装置から導出される。これを簡単に説明すると、所望質量のイオン８ｄについて見れば、例えば、第１段目の電極対間を通過する瞬間では、上側の電極１４ａの極性が正になるので当該イオン８ｄは押し戻され、第２段目の電極間を通過する瞬間では、その間に振動電圧ＶB の位相が１８０度反転していて下側の電極１４ｂの極性が正になるので当該イオン８ｄは押し戻され、このような作用が繰り返されて当該イオン８ｄは上下に振動しながら全体としてＺ方向に進行して導出される。上記とは異なる質量を持つイオン８ｅは、振動電界ＥB に同期した周期運動を続けることはできず、途中で電極１４に衝突するなどして消滅したり、装置から上記イオン８ｄとは異なる角度に放出される。  
【００５６】
上記のような作用によって、イオンビーム８中の所望の質量ｍのイオン８ｄを選択的に（即ち選り分けて）導出する、即ち質量分離することができる。この質量分離の条件は後述する。
【００５７】
しかもこの質量分離装置１２では、各電極１４は、シート状のイオンビーム８の幅方向に沿って伸びているので、シート状のイオンビーム８の質量分離を行うことができる。質量分離された所望質量ｍのイオン８ｄから成るイオンビームも、形状的にはシート状をしている（他の実施形態においても同様）。
【００５８】
質量分離された所望の質量ｍのイオン（イオンビーム）８ｄは、この実施形態では、真空容器４内に配置された被照射物２０に照射される。これによって、当該被照射物２０に、イオン注入、イオンドーピング等の処理を施すことができる。この場合、被照射物２０を前記Ｙ方向に機械的に駆動（走査）することによって、大面積の被照射物２０の全面にイオン８ｄを照射することができる。
【００５９】
上記質量分離装置１２における質量分離の条件を詳述する。所望の質量ｍのイオン８ｄの速度をｖとし、それが上記電極間距離Ｌを通過する時間をｔとすると、次の数４が成立したときに当該イオン８ｄは前記振動電界ＥB に同期して振動しながら全体としてビーム進行方向Ｚに進行する。
【００６０】
［数４］
ｔ＝Ｌ／ｖ＝１／２ｆ
【００６１】
一方、当該イオン８ｄのエネルギーＫは、次の数５で表される。
【００６２】
［数５］
Ｋ＝ｍｖ2 ／２
【００６３】
この数４と数５から、前記数１が得られる。前記数１が、質量ｍのイオン８ｄが選択的に導出される条件であり、この実施形態ではこの条件を満たすように構成されている。
【００６４】
前記数１は、それに前記数３を代入して、次の数６に書き換えることもできる。
【００６５】
［数６］
ｆ＝（１／２Ｌ）√（２ｑ・ＶA ／ｍ）
【００６６】
なお、上記質量分離装置１２において、質量分離の効果をより大きくするには、（ａ）振動電界ＥB の強度を大きくする、（ｂ）除去すべきイオン８ｅの軌道を予め計算しておき、電極対の段数や構造を最適化する、（ｃ）質量分離装置１２の出口から被照射物２０までの距離ＬW を大きくする、こと等を採用しても良い。後述する他の実施形態においても同様である。
【００６７】
図１の質量分離装置１２と同一原理に基づく質量分離装置を用いて行った実験結果の一例を図３に示す。
【００６８】
この実験では、イオン源６にヘリウムと窒素を混合したガスを導入してヘリウムイオンを含むイオンビーム８を加速電圧ＶA によって加速して取り出した。但し、この実験は原理実験に近いものであり、イオンビーム８はシート状ではなく細いペンシルビームとした。電極１４の対は４対（４段）とし、電極間距離Ｌは４ｍｍとした。振動電源１６は、正弦波交流電源とし、その周波数ｆは１３．５６ＭＨｚの一定とした。そして、振動電源１６の両端間（例えば出力端子ａ、ｂ間）にインダクタンスを接続して、当該インダクタンスと電極対間の静電容量とで並列共振回路を構成し、対を成す電極１４間に一定振幅の交流電圧を効率良く印加した。
【００６９】
また、被照射物２０に対応する位置にファラデーカップを設置して、それでイオンビーム電流を計測し、当該電流の時間積分値をビーム強度とし、それの相対値を図３の縦軸に表した。そして、加速電圧ＶA を調整することによってイオンビーム８のエネルギーＫを調整し（数３参照）、これによって所望のヘリウムイオンが質量分離されて導出されるか否かを実験した。
【００７０】
その結果、図３に示すように、ＶA ＝０．５ｋＶ付近においてイオンビーム電流の鋭いピークが見られ、良好な質量分離作用が得られていることが分かる。即ち、本発明に従った質量分離の基本原理である、ビーム速度と交流電界との同期の効果が表れていることが分かる。非同期のビームが、上記ピーク値の前後にある背景ビームを形成しており、この実験では、同期ビームと非同期ビームの成分比は、小さく見積もっても１０：１以上を実現できている。
【００７１】
なお、イオンビーム速度と交流電界との同期を取るためには、上記実験例のように加速電圧ＶA ひいてはイオンビーム８のエネルギーＫを調整する代わりに、前記数１または数６からも分かるように、電極間距離Ｌを調整しても良いし、振動電源１６の周波数ｆを調整しても良い。電極間距離Ｌを調整するためには、電極間隔調整機構を設けておけば良い。振動電源１６の周波数ｆを調整するためには、当該振動電源１６を周波数可変の電源にすれば良い。イオンビーム８のエネルギーＫを調整するためには、例えば、加速電源１８から出力する加速電圧ＶA を可変にすれば良い。後述する他の実施形態においても同様である。
【００７２】
図１に示した質量分離装置１２の変形例として、図４に示す実施形態のように、振動電源１６から、前記複数対の隣り合う電極１４に逆位相の振動電圧ＶB を印加するように構成しても良い。図４中の各電極１４に付した矢印ａ、ｂは、振動電源１６の出力端子ａ、ｂにそれぞれ電気的に接続されていることを示す（他の図においても同様）。
【００７３】
この実施形態の場合は、前記数４の代わりに次の数７が同期条件となる。
【００７４】
［数７］
ｔ＝Ｌ／ｖ＝１／ｆ
【００７５】
この数７と前記数５とから、前記数２が得られる。前記数２が、質量ｍのイオン８ｄが選択的に導出される条件であり、この実施形態ではこの条件を満たすように構成されている。
【００７６】
また、前記数２は、それに前記数３を代入して、次の数８に書き換えることもできる。  
【００７７】
［数８］
ｆ＝（１／Ｌ）√（２ｑ・ＶA ／ｍ）
【００７８】
更に、図１に示した質量分離装置１２の変形例として、図５に示す実施形態のように、対を成す電極１４（より具体的には図中上側の電極１４ａと下側の電極１４ｂ）を、イオンビーム８の経路を挟んで斜めに対向するように配置しても良い。この実施形態は、簡単に言えば、図１の電極１４を一つ置きに省いたようなものである。
【００７９】
この実施形態では、イオンビーム８の進行方向Ｚに対して斜めに振動電界ＥB が形成されるけれども、当該振動電界ＥB はイオンビーム８の進行方向Ｚに垂直な方向成分を有しているので、この成分がイオンビーム８に印加され、それによって上述したような質量分離作用を奏することができる。
【００８０】
この実施形態の場合の条件式は、隣り合う電極１４間の距離を２Ｌとすれば、前記数１または数６であり、図１の場合と同じ式となる。
【００８１】
上記各実施形態において、複数対の電極１４の対数（段数）は、多い方が質量分解能は上がるけれども、あまり多くなると取り出す所望質量のイオン８ｄの量（即ちビーム電流量）が減るので、両者の兼ね合いで決めれば良い。例えば、４段以上で１０段程度以下が現実的である。
【００８２】
上記各実施形態において、前記振動電圧ＶB を方形波交流電圧とし、前記振動電源１６を当該方形波交流電圧を出力する方形波交流電源とし、前記振動電界ＥB を方形波交流電界としても良い。あるいは、前記振動電圧ＶB を単極性の方形波電圧とし、前記振動電源１６を当該方形波電圧を出力する方形波電源とし、前記振動電界ＥB を方形波電界としても良い。また、上記各実施形態において、各対の電極１４は、互いに平行な板状の電極としても良い。これの典型例は、平行平板電極である。いずれの場合も、前記数１または数６の条件を満たす振動電界ＥB をイオンビーム８に加えて質量分離を行うことができるからである。
【００８３】
電極１４の形状と振動電源１６の種類の組み合わせとしては、棒状の電極１４の場合は、上記実施形態のように、正弦波交流電源を用いるのが好ましい。板状の電極の場合には、後述する実施形態のように、方形波交流電源または方形波電源を用いるのが好ましい。そのようにする方が、電極対間の振動電界の変化の仕方と電極の形状との相性が良いからである。つまり、棒状の電極１４のように、隣の電極間で電界の変化が緩やかな形状の電極には、振幅の変化が滑らかな正弦波交流電圧を印加する電源が好ましく、板状の電極のように、隣の電極間で電界の変化が急激な形状の電極には、振幅の遷移が急峻な方形波交流電圧または方形波電圧を出力する電源が好ましい。
【００８４】
図６は、電極対として平行平板電極１４を用いた質量分離装置１２の実施形態を示す。以下においては、前記図１等に示した実施形態との相違点を主体に説明する。
【００８５】
イオンビーム８、８ａ、８ｂの経路を挟んで対向する二つの電極１４（より具体的には１４ａと１４ｂ）が対を成している。各電極１４は、図１等に示した電極１４と同様、イオンビーム８、８ａ、８ｂの幅Ｗ（図２参照）方向に沿って伸びている。即ち、Ｘ方向に長い。
【００８６】
この実施形態では、前記振動電圧ＶB は方形波交流電圧であり、前記振動電源１６は当該方形波交流電圧を出力する方形波交流電源であり、前記振動電界ＥB は方形波交流電界である。
【００８７】
従って、イオン源６から引き出されたシート状のイオンビーム８は、第１段目の電極対１４で、方形波交流電圧の半周期ごとに、Ｙ方向において２経路に振り分けられる。その一方がイオンビーム８ａ、他方がイオンビーム８ｂである。
【００８８】
この実施形態では、偶数段目の電極対は、二対ずつ互いにＹ方向に一定距離を隔てて平行に設けられていて、２経路に振り分けられたイオンビーム８ａ、８ｂをそれぞれ静電偏向させるよう構成されており、奇数段目の電極対は、両イオンビーム８ａ、８ｂが集まる所に設けられていて、両イオンビーム８ａ、８ｂに共通である。
【００８９】
一方の経路のイオンビーム８ａまたは８ｂについて見れば、当該イオンビーム８ａまたは８ｂの進行方向Ｚに複数対の電極１４が直列に配置されていることになる。そして、ビーム進行方向Ｚにおいて隣り合う電極１４には、逆位相の方形波交流電圧が印加される。  
【００９０】
従って、それぞれの隣り合う電極１４の中心間の距離をＬとしたとき、前記図４に示した実施形態の場合と同様、前記数２または数８が、質量ｍのイオン８ｄが選択的に導出される条件であり、この実施形態ではこの条件を満たすように構成されている。
【００９１】
従って、この実施形態の質量分離装置１２においても、前記実施形態と同様の作用によって、シート状のイオンビーム８、８ａ、８ｂの質量分離を行って、所望の質量のイオン８ｄを選択的に導出することができる。
【００９２】
しかも、平行平板電極１４を用いることにより、静電偏向時におけるイオンビームの集束作用を利用することができるので、所望質量のイオンは集束を繰り返しながら輸送されて損失が少なくなり、所望質量のイオン８ｄの透過率が向上する。
【００９３】
また、方形波交流電圧は、正弦波交流電圧に比べて、一定振幅の時間が長く、所望質量のイオンの静電偏向に、電圧をより効率良く利用することができるので、この観点からも所望質量のイオン８ｄの透過率が向上する。
【００９４】
更に、この実施形態では、上記のような電極構成によって、２経路のイオンビーム８ａ、８ｂを最終的に１経路に集めて導出することができるので、方形波交流電圧の正負両位相において所望質量のイオン８ｄを導出することができる。従って、イオンビームの透過率が大きい。
【００９５】
即ち、上記２経路のイオンビーム８ａ、８ｂを互いに別経路で質量分離し、所望質量のイオン８ｄを２経路から導出するようにしても良いけれども、その場合は各経路について見れば、方形波交流電圧の片方の（即ち正または負の）位相時しかイオンビームを通さないので、この実施形態に比べてイオンビームの透過率は半分になる。その場合でも、２経路のイオンビーム８ａ、８ｂを最終的に１経路に集めれば、イオンビームの透過率はこの実施形態と同じになるけれども、それに比べて、この実施形態では、奇数段目の電極１４を２経路のイオンビーム８ａ、８ｂについて共用しているので、電極数を減らすことができるという利点は依然として存在する。
【００９６】
図６に示す実施形態においても、複数対の電極１４の対数（段数）についての考え方は、前記と同様であるけれども、奇数段にするので、例えば５段以上で１１段程度以下の奇数段が現実的である。
【００９７】
図７は、複数対の電極１４を、円弧を成すように直列に並べて、全体として円筒形状の一部（これは、中心角αが３６０度よりも小さいからである）を成すように構成した実施形態を示す。これは、簡単に言えば、図６の質量分離装置１２の一つのビームラインを円弧状に曲げたようなものである。以下においては、前記図１等に示した実施形態との相違点を主体に説明する。
【００９８】
イオンビーム８の経路を挟んで対向する二つの電極１４（より具体的には外側の電極１４ａと内側の電極１４ｂ）が対を成している。各対の電極１４は、互いに平行な板状の電極であるが、各電極１４は円弧を成すように曲げられている。また、各電極１４は、図１等に示した電極１４と同様、イオンビームの幅Ｗ（図２参照）方向に沿って伸びている。即ち、Ｘ方向（紙面の表裏方向）に長い。
【００９９】
この実施形態では、前記振動電圧ＶB は、例えば、方形波交流電圧であり、その場合、前記振動電源１６は当該方形波交流電圧を出力する方形波交流電源であり、前記振動電界ＥB は方形波交流電界である。
【０１００】
イオンビーム８の進行方向において隣り合う電極１４には、上記方形波交流電源１６から、逆位相の方形波交流電圧ＶB が印加される。
【０１０１】
この実施形態の場合、隣り合う電極１４の中心間の距離（より正確に言えば円弧上の距離）をＬとしたとき、前記図１に示した実施形態と同様、前記数１または数６が、質量ｍのイオン８ｄが選択的に導出される条件であり、この実施形態ではこの条件を満たすように構成されている。
【０１０２】
図７では、イオンビーム８は、図示を簡略化するために半径Ｒの単純な円弧状で示しているけれども、実際は、対を成す電極１４間の振動電界（交流電界）ＥB によって、イオンビーム８は内外方向に曲げられながら全体として円弧状に進む。このとき、前記数１または数６の条件を満たす質量ｍのイオン８ｄにとっては、外側の電極１４が常に同一極性（より具体的には正極性）に見える。即ち、所望質量ｍのイオン８ｄは、振動電界ＥB に同期して内外方向に周期的に振動させられながら、全体として半径Ｒの円弧状に曲げられ、最終段の電極対から導出される。それ以外のイオンは、同期が取れないため、内外いずれかの電極１４に衝突して消滅する。このようにして、この質量分離装置１２においても、シート状のイオンビーム８の質量分離を行って、所望の質量のイオン８ｄを選択的に導出することができる。
【０１０３】
この実施形態の場合も、図６に示したような平行平板電極列を用いる場合と同様、静電偏向時におけるイオンビームの集束作用を利用することができる。より具体的には、電極列の中心角αを約１２７度にすることにより、初段の電極対間で集束していたイオンビーム８は、最終段の電極対間で再集束することになる。その結果、イオンビームの集束位置が明確になるので、当該イオンビームの利用が容易になる。
【０１０４】
なお、この実施形態では、方形波交流電圧ＶB の半周期の間は、イオンビーム８は図７に示す軌道とは異なる軌道を取って電極列を通過できないので、方形波交流電圧ＶB のデューティ比を５０％とすると、イオンビームの透過率は５０％以下となる。
【０１０５】
この課題を解決するには、例えば、図７に示す電極列の外側にもう一つの電極列を設け、即ち電極列を内外二重に設け、方形波交流電圧ＶB の半周期の間はイオンビーム８を一方の（例えば内側の）電極列間を通して質量分離し、残りの半周期の間は他方の（例えば外側の）電極列間を通して質量分離するようにすれば良い。そのようにすれば、方形波交流電圧ＶB の１周期のほぼ全ての期間においてイオンビーム８の質量分離が可能になるので、イオンビームの透過率は図７の例の２倍になる。
【０１０６】
図７のような円弧状の電極列の場合、振動電源１６としては、上記方形波交流電源の代わりに、単極性の方形波電圧を出力する方形波電源を用いることもできる。これでも、前記数１または数６の条件を満たす振動電界ＥB をイオンビーム８に加えて質量分離を行うことができるからである。
【０１０７】
また、ビーム透過率は低下するけれども、上述した図６、図７およびその変形の実施形態において、板状の電極１４の代わりに、棒状（例えば丸棒状、円柱状、円筒状等）の電極の対を用いることもできる。振動電源１６として、正弦波交流電源を用いることもできる。いずれの場合も、前記数１または数２の条件を満たす振動電界ＥB をイオンビーム８に加えて質量分離を行うことができるからである。電極の形状と振動電源の種類の好ましい組み合わせは前述したとおりである。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
この発明は、例えば、被照射物にイオンビームを照射して、イオン注入、イオンドーピング、表面改質、新材料創生、半導体デバイス形成等を行う技術分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】この発明の一実施形態に係る質量分離装置を備えるイオンビーム照射装置の例を示す断面図である。
【図２】図１中のイオンビームおよび電極対の一つを拡大して示す斜視図である。
【図３】図１の質量分離装置と同一原理に基づく質量分離装置を用いて行った実験結果の一例を示す図である。
【図４】図１の質量分離装置の変形例を示す図である。
【図５】図１の質量分離装置の更に他の変形例を示す図である。
【図６】この発明の他の実施形態に係る質量分離装置を備えるイオンビーム照射装置の例を示す断面図である。
【図７】この発明の更に他の実施形態に係る質量分離装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１１０】
６  イオン源
８、８ａ、８ｂ  イオンビーム
８ｄ  所望の質量のイオン
１２  質量分離装置
１４、１４ａ、１４ｂ  電極
１６  振動電源
【図１】
2005085538.tif 000003
【図２】
2005085538.tif 000004
【図３】
2005085538.tif 000005
【図４】
2005085538.tif 000006
【図５】
2005085538.tif 000007
【図６】
2005085538.tif 000008
【図７】
2005085538.tif 000009