(57)【要約】【課題】  イオンビームの平行化およびエネルギー分離を行うことができ、しかもイオンビームのビームライン長を短くすることを可能にしたイオンビーム装置を提供する。【解決手段】  このイオンビーム装置は、イオンビーム４を射出するイオン源２と、そのイオンビーム４が入射されてそれから所望質量のイオンビーム４を分離して取り出す質量分離電磁石６と、そのイオンビーム４が入射されてそれを一定の走査面内で一定の走査中心Ｐを中心にして走査して取り出す走査器１２と、そのイオンビーム４が入射されてその内の所望エネルギーのイオンビーム４ａを、前記走査中心Ｐを中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器３０と、ターゲット５０を保持してそれを、静電偏向器３０から取り出されたイオンビーム４ａに一定の角度で交差する方向に機械的に往復走査する走査機構５４とを備えている。【選択図】  図１
2005190979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが入射され当該イオンビームを、一定の走査面内で一定の走査中心を中心にして走査して取り出す走査器と、
この走査器からのイオンビームが入射され当該イオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記走査中心を中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器とを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項２】
イオンビームを射出するイオン源と、
このイオン源からのイオンビームが入射され当該イオンビームから所望質量のイオンビームを分離して取り出す質量分離電磁石と、
この質量分離電磁石からのイオンビームが入射され当該イオンビームを、一定の走査面内で一定の走査中心を中心にして走査して取り出す走査器と、
この走査器からのイオンビームが入射され当該イオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記走査中心を中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器と、
イオン注入すべきターゲットを保持して当該ターゲットを、前記静電偏向器から取り出されたイオンビームに一定の角度で交差する方向に機械的に往復走査する走査機構とを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項３】
前記走査機構は、前記ターゲットをその表面に平行に走査するものである、請求項２に記載のイオンビーム装置。
【請求項４】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する一対の偏向電極を有している、請求項１ないし３のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項５】
一点で互いに直交する三つの軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、
前記走査器に入射するイオンビームは、Ｚ軸に平行に前記走査器に入射するものであり、
前記走査器は、前記入射されたイオンビームをＹ−Ｚ平面に平行な前記走査面内で前記走査中心を中心にして走査するものであり、
前記静電偏向器は、前記入射されたイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを９０度偏向させてＸ軸に平行に出射するものであり、
前記走査かつ偏向されたイオンビームの内で所望エネルギーを有するイオンビームの１本のイオンビームの軌道を考えたとき、当該軌道は、直線部の先端に、Ｘ軸に平行になるように弧状に９０度曲がった弧状部を有しており、
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、前記１本のイオンビームの軌道を前記走査中心を通りＸ軸に平行な軸を中心にして前記走査方向に所定角度回転させたときに前記弧状部が描く回転面に概ね沿う形状をしている、請求項４に記載のイオンビーム装置。
【請求項６】
前記偏向電極を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、トーラスを、前記走査中心を通りＸ軸に平行なトーラス中心軸を中心とする円周方向に所定角度だけ切り取り、かつトーラスの縦断面の外周が形成する円弧を９０度だけ切り取った形状をしている、請求項５に記載のイオンビーム装置。
【請求項７】
前記偏向電極を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、前記回転面に概ね沿う複数の面を組み合わせて形成されている、請求項５または６に記載のイオンビーム装置。
【請求項８】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の内の少なくとも一方は、偏向角の増大方向に隙間をあけて複数に分割されている、請求項４ないし７のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項９】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の少なくとも相対向面は、それぞれ、カーボンで形成されている、請求項４ないし８のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１０】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極に、直流電圧であって接地電位に対して対称の偏向電圧をそれぞれ印加する偏向電源を備えている、請求項４ないし９のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１１】
前記走査器は、それに入射するイオンビームをその入射軸に対して対称に走査するものである、請求項１ないし１０のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１２】
前記走査器は、それに入射するイオンビームをその入射軸に対して片側方向においてのみ走査するものである、請求項１ないし１０のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１３】
前記走査器と静電偏向器との間に設けられていて前記走査されたイオンビームを静電的に加速または減速する加減速器を備えており、
この加減速器はイオンビームの進行方向に一定の間隔をあけて配置された少なくとも２枚の電極を有しており、
この各電極は、前記走査中心を中心とする円弧状をしており、かつ、前記走査されたイオンビームの走査方向の幅よりも幅の広いビーム通過穴を有している、請求項１ないし１２のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１４】
前記加減速器を構成する入口の電極が、所望質量のイオンビームを通過させ不所望質量のイオンを阻止する分析スリットを兼ねている、請求項１３に記載のイオンビーム装置。  
【請求項１５】
前記静電偏向器の出口付近に、所望エネルギーのイオンビームを通し不所望エネルギーのイオンを阻止するビームマスクを設けている、請求項１ないし１４のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１６】
前記静電偏向器を出たイオンビームの、その進行方向に垂直な走査ビーム断面の形状は弧状をしており、前記ビームマスクは、この弧状の走査ビーム断面にほぼ相似形の弧状のビーム通過穴を有している、請求項１５に記載のイオンビーム装置。
【請求項１７】
前記走査器は互いに平行な一対の走査電極を有しており、この一対の走査電極間に、
ＶS ＝ｃｔ／（１−ｃ2ｔ2 ）1/2 、（ｃは定数、ｔは時間）
で表される走査電圧ＶS を印加する走査電源を備えている、請求項１ないし１６のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１８】
前記静電偏向器の入口の電位は出口の電位よりも低く、前記静電偏向器は、それに入射するイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記のように偏向させながら減速するものである請求項１ないし３のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項１９】
前記静電偏向器の入口の電位は出口の電位よりも高く、前記静電偏向器は、それに入射するイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記のように偏向させながら加速するものである請求項１ないし３のいずれかに記載のイオンビーム装置。
【請求項２０】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する内側および外側の偏向電極を有しており、当該内側および外側の偏向電極の相対向面間の間隔は、出口に向かうに従って広くなっている請求項１８に記載のイオンビーム装置。
【請求項２１】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する内側および外側の偏向電極を有しており、当該内側および外側の偏向電極の相対向面間の間隔は、出口に向かうに従って狭くなっている請求項１９に記載のイオンビーム装置。
【請求項２２】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する内側および外側の偏向電極を有しており、当該内側および外側の偏向電極は、それぞれ偏向角の増大方向にｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されていてｎ組の偏向電極を形成しており、当該ｎ組の偏向電極の内の内側の偏向電極に印加される電圧を、入口側からそれぞれＶa1、Ｖa2、・・・、Ｖanとし、当該ｎ組の偏向電極の内の外側の偏向電極に印加される電圧を、入口側からそれぞれＶb1、Ｖb2、・・・、Ｖbnとしたとき、次の関係を満たしている請求項１８に記載のイオンビーム装置。
Ｖa1＜Ｖa2＜・・・＜Ｖan、
Ｖb1＜Ｖb2＜・・・＜Ｖbn、かつ、
Ｖa1＜Ｖb1、Ｖa2＜Ｖb2、・・・、Ｖan＜Ｖbn
【請求項２３】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する内側および外側の偏向電極を有しており、当該内側および外側の偏向電極は、それぞれ偏向角の増大方向にｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されていてｎ組の偏向電極を形成しており、当該ｎ組の偏向電極の内の内側の偏向電極に印加される電圧を、入口側からそれぞれＶa1、Ｖa2、・・・、Ｖanとし、当該ｎ組の偏向電極の内の外側の偏向電極に印加される電圧を、入口側からそれぞれＶb1、Ｖb2、・・・、Ｖbnとしたとき、次の関係を満たしている請求項１９に記載のイオンビーム装置。
Ｖa1＞Ｖa2＞・・・＞Ｖan、
Ｖb1＞Ｖb2＞・・・＞Ｖbn、かつ、
Ｖa1＜Ｖb1、Ｖa2＜Ｖb2、・・・、Ｖan＜Ｖbn
【請求項２４】
前記ｎ組の偏向電極の相対向面間の間隔は、静電偏向器の入口から出口に至るまで一定である請求項２２または２３に記載のイオンビーム装置。
【請求項２５】
前記ｎ組の偏向電極の各組において、その相対向面間の間隔は、それぞれ、出口に向かうに従って広くなっている請求項２２に記載のイオンビーム装置。
【請求項２６】
前記ｎ組の偏向電極の各組において、その相対向面間の間隔は、それぞれ、出口に向かうに従って狭くなっている請求項２３に記載のイオンビーム装置。
【請求項２７】
前記静電偏向器は、間隔をあけて相対向する内側および外側の偏向電極を有しており、当該内側および外側の偏向電極の相対向面の半径をそれぞれｒa およびｒb とし、内側および外側の偏向電極に印加される電圧をそれぞれＶa およびＶb とし、静電偏向器内における所望エネルギーのイオンビームの軌道上での電位をＶとし、静電偏向器の出口での当該イオンビームの運動エネルギーに対応する電圧をＶe とし、静電偏向器内における当該イオンビームの設計上の軌道半径をｒc としたとき、次式またはそれと数学的に等価な関係を実質的に満たしている請求項１８または１９に記載のイオンビーム装置。
Ｖa ＝Ｖ−２（Ｖe −Ｖ）ｌｏｇ（ｒc ／ｒa ）、かつ、
Ｖb ＝Ｖ＋２（Ｖe −Ｖ）ｌｏｇ（ｒb ／ｒc ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ターゲット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ならびに当該イオン注入装置を構成するものであってイオンビームの走査および偏向を行うイオンビーム偏向装置等を包含した概念のイオンビーム装置に関し、より具体的には、イオンビームのビームライン長を短くすることを可能にしたイオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入装置のようなイオンビーム装置（以下、イオン注入装置で代表する。）においては、従来から、ターゲット（例えば半導体基板）の面内においてイオンビームの入射角を均一にするために、イオンビームの平行化が行われている。
【０００３】
また、ターゲットに、所望エネルギーのイオンと共に、不所望エネルギーのイオン（これを、「エネルギー汚染物質」または「エネルギーコンタミナント」と言う。）が注入されること（これを、「エネルギー汚染」または「エネルギーコンタミネーション」と言う。）を防止するために、不所望エネルギーのイオンの除去（これを、「エネルギー分離」または「エネルギー分析」と言う。）が行われている。
【０００４】
上記のイオンビームの平行化とエネルギー分離とは、従来は、別々の機能要素によって行われていた。
【０００５】
このため、イオンビームのビームライン長が長くなり、イオンビームの発散等による損失が大きくなり、ビーム輸送効率の低下を招き、十分なビーム量を確保することが難しいという課題があった。特に、低エネルギーでのイオンビームの輸送においては、イオンビームの空間電荷効果が顕著に現れてイオンビームが発散してその効率の良い輸送が困難になるので、ビームライン長をできるだけ短くすることが可能なイオン注入装置が望まれていた。
【０００６】
従来技術の具体例を挙げると、特許文献１には、静電偏向によるエネルギー分離技術が記載されている。しかし、ここでエネルギー分離に用いられている静電偏向電極は、平行平板型の電極であって、イオンビームはその静電偏向電極によって平行化されるものではない。イオンビームの平行化には、平行化のためだけに設けられた別の平行平板型の走査電極によって行われている。従って、前述したようにビームライン長が長くなるという課題がある。
【０００７】
他のエネルギー分離技術としては、最終エネルギーにまでイオンビームが加速された後に（即ち下流側に）偏向電磁石を配置して、そこでのイオンビームの旋回半径Ｒ1 が次式で決まることを用いるものがある。ここで、Ｂは磁束密度、ｍはイオンビームを構成するイオンの質量、ｑは電荷、Ｖ1 はイオンビームの加速電圧でありエネルギーに相当する。  
【０００８】
［数１］
Ｒ1 ＝（１／Ｂ）×（２ｍＶ1 ／ｑ）1/2 
【０００９】
このような技術は、例えば特許文献２にエネルギー分析マグネットとして記載されている。しかし、ここで用いられている技術は、走査も平行化も行われていないイオンビームに対して行われるものであり、イオンビームの平行化には、平行化のためだけに設けられた別のビーム平行化マグネットと名付けられた偏向電磁石によって行われている。従って、前述したようにビームライン長が長くなるという課題がある。
【００１０】
これに対して、走査されたイオンビームに対しての平行化とエネルギー分離とを一つの要素（扇型電磁石）によって行う技術が、特許文献３に記載されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平３−２３３８４５号公報（第１頁右欄〜第２頁左上欄、第６図）
【特許文献２】特許第３３５８３３６号公報（段落０００２、０００３、図１）
【特許文献３】特開平１１−３５４０６４号公報（段落００１６〜００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記特許文献３に記載の技術は、イオンビームの平行化とエネルギー分離とを、扇型電磁石と名付けられた偏向電磁石を用いて行うものであるので、イオンビームのエネルギー（数１のＶ1 に相当）および所望イオンの質量ｍが大きくなると、例えば２００ｋｅＶ以上のエネルギーのインジウム（Ｉn ）イオンを取り出そうとすると、前記数１からも分かるように、一定の旋回半径Ｒ1 を実現するためには、磁束密度Ｂを非常に大きくしなければならず、そのためには偏向電磁石を構成する鉄心およびコイルが非常に大きくなり、偏向電磁石が巨大化する。また、偏向電磁石の重量やコスト、偏向電磁石用の電源等も大きくなるという課題がある。
【００１３】
しかも、特許文献３に記載の技術は、静電偏向器と名付けられた走査器によってイオンビームが走査されている面内でイオンビームが偏向電磁石によって偏向されるので、偏向電磁石におけるイオンビームの偏向角を非常に大きくしないと、エネルギー分離が十分に行えず、不所望エネルギーイオンの除去が十分に行えないという課題がある。これは、所望エネルギーのイオンビームも不所望エネルギーのイオンも走査器によって走査されて広がっているので、この広がったもの同士を同一面内で互いに分離するためには、細いイオンビームを分離する場合と違って、あるいは異なった面内で分離する場合と違って、イオンビームの偏向角を非常に大きくしなければならないからである。偏向角を非常に大きくするということは、前記数１に示した磁束密度Ｂを非常に大きくして旋回半径Ｒ1 を非常に小さくすることであり、その場合には前記と同様の課題がある。
【００１４】
偏向電磁石における偏向角をあまり大きくせずに、不所望エネルギーのイオンがターゲットに入射する課題を解決しようとすると、偏向電磁石出口からターゲットまでの距離を大きくしなければならず、その結果、ビームライン長が長くなるという課題が生じる。
【００１５】
更に、偏向電磁石の中やその上下側で、イオンビームと雰囲気中に残留している分子とが衝突する等によって生じた中性粒子は偏向電磁石中を直進するため、偏向電磁石における偏向角を大きくするかまたは偏向電磁石からターゲットまでの距離を大きくしないと、直進した中性粒子がターゲットに入射し、それによってターゲットに対する注入不均一性が生じる。これを解決するためには、偏向電磁石における偏向角を大きくすることと、偏向電磁石出口からターゲットまでの距離を大きくすることの少なくとも一方を採用しなければならず、いずれにしても、やはり、ビームライン長が長くなるという課題がある。
【００１６】
そこでこの発明は、イオンビームの平行化およびエネルギー分離を行うことができ、しかもイオンビームのビームライン長を短くすることを可能にしたイオンビーム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】
【００１７】
この発明に係るイオンビーム装置の一つは、イオンビームが入射され当該イオンビームを、一定の走査面内で一定の走査中心を中心にして走査して取り出す走査器と、この走査器からのイオンビームが入射され当該イオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記走査中心を中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器とを備えることを特徴としている。このイオンビーム装置は、イオンビームの走査および偏向を行う構成であるので、イオンビーム偏向装置と呼ぶこともできる。
【００１８】
この発明に係る他のイオンビーム装置は、イオンビームを射出するイオン源と、このイオン源からのイオンビームが入射され当該イオンビームから所望質量のイオンビームを分離して取り出す質量分離電磁石と、この質量分離電磁石からのイオンビームが入射され当該イオンビームを、一定の走査面内で一定の走査中心を中心にして走査して取り出す走査器と、この走査器からのイオンビームが入射され当該イオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記走査中心を中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器と、イオン注入すべきターゲットを保持して当該ターゲットを、前記静電偏向器から取り出されたイオンビームに一定の角度で交差する方向に機械的に往復走査する走査機構とを備えることを特徴としている。このイオンビーム装置は、イオンビームの走査、偏向およびターゲットへの入射等を行う構成であるので、イオン注入装置と呼ぶこともできる。
【００１９】
上記イオンビーム装置によれば、走査器によって走査されたイオンビームは、扇状に広がって静電偏向器に入射する。
【００２０】
静電偏向器に入射したイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームは、前記走査中心を中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向されて、静電偏向器から取り出される（出射する）。
【００２１】
このようにして静電偏向器から取り出された所望エネルギーのイオンビームを構成する１本１本のイオンビームは、互いに平行である。これは、一つの面に立てた複数本の垂線が互いに平行であるのと同様に、一つの走査面に垂直に出射する各イオンビームは、その走査位置に拘わらず、互いに平行であるからである。このようにして、静電偏向器から出射するイオンビームの平行化を行うことができる。
【００２２】
静電偏向器に入射したイオンビームの内の不所望エネルギーのイオンは、所望エネルギーのイオンビームとは偏向半径（旋回半径）が異なるので、所望エネルギーのイオンビームから分離される。このようにして、エネルギー汚染物質の除去、即ちエネルギー分離を行うことができる。
【００２３】
しかも、静電偏向器におけるイオンビームの偏向方向は、走査器におけるイオンビームの走査方向とは垂直方向であり、特許文献３に記載されている技術と違って、走査器によって走査されて広がったエネルギーの異なるイオンビーム同士を同一面内で互いに分離するのではなく異なった面内で互いに分離するので、異エネルギーイオンの分離は容易であり、従ってエネルギー分離機能は非常に大きい。加えて、静電偏向器におけるイオンビームの偏向角度が９０度と大きいので、この観点からも、異エネルギーイオンの分離は容易であり、従ってエネルギー分離機能は非常に大きい。この両者が相俟って、静電偏向器におけるエネルギー分離機能は極めて大きい。
【００２４】
また、静電偏向器の場合は、偏向電磁石の場合と違って、偏向角度を大きくすることは、当該静電偏向器を曲げること等によって比較的簡単に実現することができるので、しかも偏向角度はイオンの質量に依存せず大きな質量のイオンを偏向することも容易であるので、偏向角度を９０度と大きくしても、特許文献３に記載されている偏向電磁石が有する前記巨大化等の課題発生を避けることができる。
【００２５】
上記のように、この発明に係るイオンビーム装置によれば、一つの静電偏向器によって、イオンビームの平行化とエネルギー分離の両方を行うことができるので、両者を特許文献１または２に記載の技術のように別々の機能要素によって行う場合に比べて、イオンビームのビームライン長を短くすることができる。
【００２６】
更に、上記のように静電偏向器におけるエネルギー分離機能は極めて大きいので、特許文献３に記載の技術に比べて、静電偏向器出口からターゲットまでの距離を大幅に短くすることができる。従ってこの観点からも、イオンビームのビームライン長を短くすることができる。
【００２７】
前記走査機構は、前記ターゲットをその表面に平行に走査するものであっても良い。
【００２８】
前記静電偏向器は、例えば、間隔をあけて相対向する一対の偏向電極を有している。
【００２９】
一点で互いに直交する三つの軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、例えば、前記走査器に入射するイオンビームは、Ｚ軸に平行に前記走査器に入射するものであり、前記走査器は、前記入射されたイオンビームをＹ−Ｚ平面に平行な前記走査面内で前記走査中心を中心にして走査するものであり、前記静電偏向器は、前記入射されたイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを９０度偏向させてＸ軸に平行に出射するものであり、前記走査かつ偏向されたイオンビームの内で所望エネルギーを有するイオンビームの１本のイオンビームの軌道を考えたとき、当該軌道は、直線部の先端に、Ｘ軸に平行になるように弧状に９０度曲がった弧状部を有しており、前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、前記１本のイオンビームの軌道を前記走査中心を通りＸ軸に平行な軸を中心にして前記走査方向に所定角度回転させたときに前記弧状部が描く回転面に概ね沿う形状をしている。
【００３０】
前記偏向電極を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、トーラスを、前記走査中心を通りＸ軸に平行なトーラス中心軸を中心とする円周方向に所定角度だけ切り取り、かつトーラスの縦断面の外周が形成する円弧を９０度だけ切り取った形状をしていても良い。
【００３１】
前記偏向電極を構成する一対の偏向電極の相対向面は、それぞれ、前記回転面に概ね沿う複数の面を組み合わせて形成されていても良い。
【００３２】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の内の少なくとも一方は、偏向角の増大方向に隙間をあけて複数に分割されていても良い。
【００３３】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極の少なくとも相対向面は、それぞれ、カーボンで形成されていても良い。
【００３４】
前記静電偏向器を構成する一対の偏向電極に、直流電圧であって接地電位に対して対称の偏向電圧をそれぞれ印加する偏向電源を備えていても良い。
【００３５】
前記走査器は、それに入射するイオンビームをその入射軸に対して対称に走査するものであっても良いし、当該イオンビームをその入射軸に対して片側方向においてのみ走査するものであっても良い。
【００３６】
前記走査器と静電偏向器との間に設けられていて前記走査されたイオンビームを静電的に加速または減速する加減速器を更に備えていて、この加減速器はイオンビームの進行方向に一定の間隔をあけて配置された少なくとも２枚の電極を有していて、この各電極は、前記走査中心を中心とする円弧状をしていると共に、前記走査されたイオンビームの走査方向の幅よりも幅の広いビーム通過穴を有していても良い。
【００３７】
前記静電偏向器の出口付近に、所望エネルギーのイオンビームを通し不所望エネルギーのイオンを阻止するビームマスクを設けても良い。
【００３８】
前記静電偏向器を出たイオンビームの、その進行方向に垂直な走査ビーム断面の形状は弧状をしており、前記ビームマスクは、この弧状の走査ビーム断面にほぼ相似形の弧状のビーム通過穴を有していても良い。
【００３９】
前記走査器は互いに平行な一対の走査電極を有していて、この一対の走査電極間に、ＶS ＝ｃｔ／（１−ｃ2ｔ2 ）1/2 、（ｃは定数、ｔは時間）で表される走査電圧ＶS を印加する走査電源を備えていても良い。
【００４０】
前記静電偏向器に、それに入射するイオンビームの内の所望エネルギーのイオンビームを、前記のように偏向させながら加速または減速する機能を持たせても良い。
【発明の効果】
【００４１】
以上のようにこの発明によれば、一つの静電偏向器によって、イオンビームの平行化とエネルギー分離の両方を行うことができるので、両者を別々の機能要素によって行う場合に比べて、イオンビームのビームライン長を短くすることができる。
【００４２】
更に、上記のように静電偏向器におけるエネルギー分離機能は極めて大きいので、公知の偏向電磁石を用いる場合に比べて、静電偏向器出口からターゲットまでの距離を大幅に短くすることができる。従ってこの観点からも、イオンビームのビームライン長を短くすることができる。
【００４３】
その結果、例えば、イオンビームの発散等による損失を低減してビーム輸送効率の向上を図り、大きなビーム量を確保することが可能になる。この効果は、特に低エネルギーのイオンビームを輸送する場合に顕著になる。
【００４４】
また、ビームライン長を短くすることができるので、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００４５】
また、イオンビームの平行化およびエネルギー分離を行う静電偏向器は、磁場を用いる偏向電磁石に比べて、軽量化および低消費電力化が可能である。
【００４６】
請求項３に記載の発明によれば、ターゲットへのイオンビームの注入角が０度でない場合でも、ターゲットに入射するイオンビームのビーム進行方向における入射位置が、ターゲット面内において変化せず一定である、という更なる効果を奏する。
【００４７】
請求項８に記載の発明によれば、分割した偏向電極間の隙間から静電偏向器内を効率良く真空排気することができる、という更なる効果を奏する。
【００４８】
請求項９に記載の発明によれば、不所望エネルギーのイオンが偏向電極の相対向面に衝突してスパッタしても、スパッタ粒子はカーボンをスパッタして生じるものであるので、これが万一ターゲットに到達しても、ターゲット表面に作成される半導体デバイスの特性に与える影響が少ない、という更なる効果を奏する。
【００４９】
請求項１０に記載の発明によれば、次のような更なる効果を奏する。即ち、所望エネルギーのイオンビームは静電偏向器内において接地電位部付近を通過することになるので、静電偏向器の中で当該イオンビームが加減速されない。また、静電偏向器のすぐ上流側の機器およびすぐ下流側の機器は通常は接地電位であるので、静電偏向器の前後においてもイオンビームが加減速されない。従って、静電偏向器を通してもイオンビームのエネルギーが変化しない。
【００５０】
請求項１２に記載の発明によれば、中性粒子は走査器において走査されずに直進するので、中性粒子とイオンビームとの分離が容易になる、という更なる効果を奏する。
【００５１】
請求項１３に記載の発明によれば、加減速器中の電界は、走査器によって走査されたイオンビームの走査位置に拘わらず常に、加減速器に入射するイオンビームの方向に平行に加わるので、走査されたイオンビームを電界によって加速または減速しても、当該電界によってイオンビームは曲げられずイオンビームの方向が変わらない、という更なる効果を奏する。
【００５２】
請求項１４に記載の発明によれば、分析スリットを別個に設けなくて済むので、分析スリットを別個に設ける場合に比べて、ビームライン長を短くすることができる、という更なる効果を奏する。
【００５３】
請求項１５に記載の発明によれば、静電偏向器とビームマスクとが協働して、エネルギー分離性能を高めることができる、という更なる効果を奏する。
【００５４】
請求項１６に記載の発明によれば、静電偏向器とビームマスクとが協働して、エネルギー分離性能をより一層高めることができる、という更なる効果を奏する。
【００５５】
請求項１７に記載の発明によれば、静電偏向器を出たイオンビームの、走査方向における直線上の走査速度が一定になる、という更なる効果を奏する。
【００５６】
請求項１８およびその従属項に記載の発明によれば、次のような更なる効果を奏する。即ち、前記静電偏向器において、イオンビームを、偏向しながら減速することができるので、イオンビームの加減速器を別個に設けなくて済む。その結果、加減速器を別個に設ける場合に比べて、ビームライン長をより短くすることができるので、イオンビームの発散等による損失をより低減してビーム輸送効率をより向上させることができ、より大きなビーム量を確保することが容易になる。また、ビームライン長をより短くすることができるので、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
【００５７】
特に、イオンビームを減速する場合、加減速器で所望エネルギーまで完全に減速した後に静電偏向器内を通過させると、低エネルギーでのビームラインが長くなって空間電荷効果によるイオンビームの発散が大きくなるのに対して、この発明では、静電偏向器内でイオンビームを偏向しながら徐々に所望エネルギーまで減速するので、低エネルギーでのビームラインは静電偏向器内の途中からとなって短くなり、従って空間電荷効果によるイオンビームの発散を抑制することができる。その結果、低エネルギーで大電流のイオンビームを取り出すことが容易になる。
【００５８】
請求項１９およびその従属項に記載の発明によれば、次のような更なる効果を奏する。即ち、前記静電偏向器において、イオンビームを、偏向しながら加速することができるので、イオンビームの加減速器を別個に設けなくて済む。その結果、加減速器を別個に設ける場合に比べて、ビームライン長をより短くすることができるので、イオンビームの発散等による損失をより低減してビーム輸送効率をより向上させることができ、より大きなビーム量を確保することが容易になる。また、ビームライン長をより短くすることができるので、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
【００５９】
請求項２７に記載の発明によれば、静電偏向器内において、所定のビーム軌道上でのイオンビームの所定の加速または減速をより円滑に行うことができるので、ビーム軌道のより揃ったイオンビームを静電偏向器から取り出すことが可能になる、という更なる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
図１は、この発明に係るイオンビーム装置（より具体的にはイオン注入装置）の一実施形態を示す平面図である。図２は、図１のイオンビーム装置を矢印Ｆ方向に見て部分的に示す正面図であり、イオン源から静電偏向器の出口までを示す。なお、以下において、イオン源２から射出されたイオンビーム４の進行経路において、イオン源に近い側を「上流側」、その反対側を「下流側」という。
【００６１】
このイオンビーム装置は、イオンビーム４を射出するイオン源２と、このイオン源２からのイオンビーム４が入射され当該イオンビーム４から所望質量のイオンビーム４を分離して取り出す（即ち質量分離を行う）質量分離電磁石６と、この質量分離電磁石６からのイオンビーム４が入射され当該イオンビーム４を、一定の走査面１３（図３参照）内で一定の走査中心Ｐを中心にして走査して取り出す走査器１２とを備えている。この走査器１２によるイオンビーム４の走査角度をθとする。
【００６２】
この実施形態では、一点で互いに直交する三つの軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、走査器１２に入射するイオンビーム４は、Ｚ軸に平行に入射するものであり、走査器１２は、当該入射されたイオンビーム４をＹ−Ｚ平面に平行な前記走査面１３内で前記走査中心Ｐを中心にして走査するものである。
【００６３】
図１以降の各図中には、イオンビーム４の進行方向、各機器の向き等の理解を容易にするため、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。
【００６４】
イオン源２から射出されるイオンビーム４は、断面（進行方向に直交する断面）が例えば円形のスポット状をしているが、他の（例えば楕円形や長方形等の）断面形状でも良い。
【００６５】
質量分離電磁石６と走査器１２との間には、必要に応じて、この例のように、イオンビーム４の断面形状を整形する四重極レンズ（Ｑレンズ）８を設けても良い。
【００６６】
質量分離電磁石６の下流側には、通常は、この例のように、質量分離電磁石６と協働して、所望質量のイオンビーム４を通過させ不所望質量のイオンを阻止する（即ち質量分離を行う）分析スリット１０が設けられる。この分析スリット１０は、この例では走査器１２のすぐ上流側に設けているが、後述する加減速器２２の入口（最上流側）の電極２４のすぐ上流側に配置しても良いし、当該入口の電極２４に分析スリットを兼ねさせても良い。兼ねさせると、分析スリットを別個に設けなくて済むので、分析スリットを別個に設ける場合に比べて、ビームライン長を短くすることができる。
【００６７】
上記イオン源２から走査器１２までの各機器は、この実施形態では、高電圧ボックス１８内に収納されている。この高電圧ボックス１８は、図２に示すように、接地電位部２１から支持碍子２０によって支持されている。この高電圧ボックス１８およびそれに接続された加減速器２２の前記入口の電極２４と接地電位部２１との間には、直流電源である加減速電源２８から、加減速電圧ＶA が印加される。加減速電源２８は、加減速器２２によってイオンビーム４を加速する加速モードの場合は図示例のように高電圧ボックス１８側を正極側にして接続され、減速する減速モードの場合は図示例とは反対に高電圧ボックス１８側を負極側にして接続される。加速モードの場合に使用する加減速電源２８と減速モードの場合に使用する加減速電源２８とは、互いに同一の電源でも良いし、別の電源でも良い。あるいは、減速モードの場合は、イオン源２と大地電位部２１との間に減速モード専用電源（図示せず）を入れ、これによって、イオンビーム４を加減速器２２で減速させても良い。
【００６８】
走査器１２は、この実施形態では、互いに平行な一対の平行平板型の走査電極１４を有する静電型のものであり、両走査電極１４間には、走査電源１６から、三角波状または概ね三角波状をした走査電圧ＶS （例えば図１５参照）が印加される。より具体的には、この例では、高電圧ボックス１８の電位を基準にしてそれよりも高電圧側および低電圧側に対称に振動する走査電圧ＶS が印加される。即ち、±ＶS が印加される。
【００６９】
走査器１２は、当該走査器１２に入射するイオンビーム４を、図２、図３等に示す例のように、その入射軸（即ち、Ｚ軸に平行な軸）６２に対して対称に走査するものでも良いし、入射軸６２に対して片側（Ｙ軸方向における片側）方向においてのみ走査するものでも良い。後者のように走査するためには、例えば、走査電圧ＶS の中心電位を、高電圧ボックスの電位よりも高い方または低い方に片寄らせて、バイアスをかければ良い。後者のように走査すると、中性粒子は走査器１２において走査されずに直進するので、中性粒子とイオンビーム４との分離が容易になる。
【００７０】
このイオンビーム装置は、更に、走査器１２からのイオンビーム４が入射され当該イオンビーム４の内の所望エネルギーのイオンビーム４ａを、前記走査中心Ｐを中心とする円弧状の偏向領域で、前記走査面１３に垂直な方向に、即ちＸ軸に平行な方向に進むように静電的に９０度偏向して取り出す静電偏向器３０と、イオン注入すべきターゲット（例えば半導体基板）５０を保持して当該ターゲット５０を、静電偏向器３０から取り出されたイオンビーム４ａに一定の角度で交差する方向に機械的に往復走査する走査機構５４とを備えている。ターゲット５０は、この例ではホルダ５２に保持される。
【００７１】
走査器１２と静電偏向器３０との間には、この実施形態のように、走査器１２によって走査されたイオンビーム４を静電的に加速または減速する加減速器２２を設けても良い。この加減速器２２は、イオンビーム４の進行方向に一定の間隔をあけて配置された少なくとも２枚の電極２４を有しており、この各電極２４は、図３も参照して、前記走査中心Ｐを中心とする円弧状をしており、かつ、走査されたイオンビーム４の走査方向の幅よりも幅の広いビーム通過穴２６を有している。
【００７２】
この加減速器２２を構成する各電極２４の電位は、この実施形態では、入口の電極２４の電位は高電圧ボックス１８と同電位であり、出口（最下流側）の電極２４の電位は接地電位であり、両者の間の電極２４の電位は両者の間の電位である。
【００７３】
上記のような加減速器２２を用いれば、加減速器２２中の電界は、走査器１２によって走査されたイオンビーム４の走査位置に拘わらず常に、加減速器２２に入射するイオンビーム４の方向に平行に加わるので、走査されたイオンビーム４を電界によって加速または減速しても、当該電界によってイオンビーム４は曲げられずイオンビーム４の進行方向が変わらない。
【００７４】
上記静電偏向器３０について、図３等も参照して更に説明する。
【００７５】
静電偏向器３０は、所定の間隔をあけて相対向する一対（一組）の偏向電極３２を有している。
【００７６】
静電偏向器３０は、前述したように、入射されたイオンビーム４の内の所望エネルギーのイオンビーム４ａを９０度偏向させてＸ軸に平行に出射するものであり、走査器１２によって走査されかつ静電偏向器３０によって偏向されたイオンビーム４の内で所望エネルギーを有するイオンビーム４ａの１本のイオンビーム４ａの軌道を考えたとき、当該軌道は、直線部の先端に、Ｘ軸に平行になるように弧状に９０度曲がった弧状部を有しており、静電偏向器３０を構成する一対の偏向電極３２の相対向面３３は、それぞれ、前記１本のイオンビーム４ａの軌道を前記走査中心Ｐを通りＸ軸に平行な軸６０を中心にして前記走査方向に所定角度回転させたときに前記弧状部が描く回転面に沿う、または概ね沿う形状をしている。
【００７７】
各偏向電極３２の相対向面３３と反対側の面の形状は、特定のものに限定されない。例えば、図１等に示す例のように相対向面３３に沿う形状をしていても良いし、それ以外の形状でも良い。なぜなら、イオンビーム４を偏向する電界は、各相対向面３３間に形成されるので、相対向面３３の形状が重要だからである。
【００７８】
この静電偏向器３０におけるイオンビーム４の偏向位置は、走査器１２によってどの角度に走査されているイオンビーム４に対しても、走査中心Ｐから等距離の所である。また、偏向力が働く方向は、各走査イオンビーム４に対して、その走査イオンビーム４の向かう方向を含み、走査面１３とは垂直な面内にある。即ち、この静電偏向器３０の構成は、より具体的には、その相対向面３３の構成は、イオンビーム４の走査角度θに対しての対称性（方位角方向の対称性）を有するものである。
【００７９】
静電偏向器３０の両偏向電極３２の相対向面３３間の空間は、イオンビーム４が入射する入口端面３６、所望エネルギーのイオンビーム４ａを９０度偏向する偏向領域３４およびイオンビーム４ａが出射する出口端面３８から成り、入口端面３６は、イオンビーム４の走査面１３に対して、即ちＹ−Ｚ平面に対して垂直であり、かつ前記走査中心Ｐを中心とする円弧状に曲がっている。出口端面３８は、Ｙ−Ｚ平面に平行であり、かつ前記走査中心Ｐを当該出口端面３８を含む平面上に投影した点を中心とする円弧状に曲がっている。偏向領域３４は、イオンビーム４のどの走査角度θにおいても同じ曲がり方で曲がって、入口端面３６と出口端面３８との間をつないでいる。
【００８０】
例えば、図１〜図３に示す偏向電極３０を構成する各偏向電極３２の相対向面３３は、それぞれ、図４に示すようなトーラス９５を、前記走査中心Ｐを通りＸ軸に平行なトーラス中心軸９６を中心とする円周方向に所定角度だけ切り取り、かつトーラス９５の縦断面（ポロイダル断面）９８の外周が形成する円弧を９０度だけ切り取ってできる、点ｅ、ｆ、ｇ、ｈで囲まれる曲面１００と同一形状またはそれに沿う形状をしている。
【００８１】
静電偏向器３０を構成する一対の偏向電極３２間には、外側の偏向電極３２から内側の偏向電極３２に向かう電界を形成して、イオンビーム４を上記のように偏向させる直流の偏向電圧が偏向電源から印加される。
【００８２】
この場合、偏向電源は、単純に外側の偏向電極３２に内側の偏向電極３２よりも高い偏向電圧を印加するもの、例えば後者３２を接地電位にして前者３２に正の偏向電圧を印加するものでも良いけれども、この実施形態のように、内側と外側の偏向電極３２に、接地電位に対して対称の（即ち、絶対値が同じで極性が正負反対の）偏向電圧−ＶD 、＋ＶD をそれぞれ印加する偏向電源４０ａ、４０ｂを設けるのが好ましい。
【００８３】
そのようにすると、両偏向電極３２の相対向面３３の中間が接地電位になる。その結果、所望エネルギーのイオンビーム４ａは静電偏向器３０内において接地電位部付近を通過することになるので、静電偏向器３０の中で当該イオンビーム４ａが加減速されない。また、静電偏向器３０のすぐ上流側の機器およびすぐ下流側の機器は通常は接地電位であるので、例えば通常は、前述した加減速器２２の出口の電極２４は接地電位であり、ホルダ５２や後述するビームマスク４６等も接地電位であるので、静電偏向器３０の前後においてもイオンビーム４、４ａが加減速されない。従って、静電偏向器３０を通してもイオンビームのエネルギーが変化しない。
【００８４】
このイオンビーム装置によれば、走査器１２によって走査されたイオンビーム４は、扇状に広がって静電偏向器３０に入射する。
【００８５】
静電偏向器３０に入射したイオンビーム４の内の所望エネルギーのイオンビーム４ａは、前記走査中心Ｐを中心とする円弧状の偏向領域３４で、前記走査面１３に垂直な方向に進むように静電的に９０度偏向されて、静電偏向器３０から取り出される（出射する）。  
【００８６】
このようにして静電偏向器３０から取り出された所望エネルギーのイオンビーム４ａを構成する１本１本のイオンビーム４ａは、互いに平行である。この実施形態では、Ｘ軸に平行な状態で互いに平行である。その様子の例を、図９、図１１、図１７（Ａ）等に示す。これは、一つの面に立てた複数本の垂線が互いに平行であるのと同様に、一つの走査面１３に垂直に出射する各イオンビーム４ａは、その走査位置に拘わらず、互いに平行であるからである。このようにして、静電偏向器３０から出射するイオンビーム４ａの平行化を行うことができる。
【００８７】
静電偏向器３０に入射したイオンビーム４の内の不所望エネルギーのイオン４ｂは、所望エネルギーのイオンビーム４ａとは偏向半径（旋回半径）が異なるので、図１中に例示するように、所望エネルギーのイオンビーム４ａから分離される。このようにして、エネルギー汚染物質の除去、即ちエネルギー分離を行うことができる。
【００８８】
しかも、静電偏向器３０におけるイオンビーム４の偏向方向は、走査器１２におけるイオンビーム４の走査方向とは垂直方向であり、特許文献３に記載されている技術と違って、走査器１２によって走査されて広がったエネルギーの異なるイオンビーム同士を同一面内で互いに分離するのではなく異なった面内で互いに分離するので、異エネルギーイオンの分離は容易であり、従ってエネルギー分離機能は非常に大きい。加えて、静電偏向器３０におけるイオンビーム４ａの偏向角度が９０度と大きいので、この観点からも、異エネルギーイオンの分離は容易であり、従ってエネルギー分離機能は非常に大きい。この両者が相俟って、静電偏向器３０におけるエネルギー分離機能は極めて大きい。
【００８９】
また、静電偏向器３０の場合は、偏向電磁石の場合と違って、偏向角度を大きくすることは、当該静電偏向器３０を曲げること等によって比較的簡単に実現することができるので、しかも偏向角度はイオンビームを構成するイオンの質量ｍに依存せず大きな質量ｍのイオンを偏向することも容易であるので、偏向角度を９０度と大きくしても、特許文献３に記載されている偏向電磁石が有する前記巨大化等の課題発生を避けることができる。
【００９０】
静電偏向器３０における偏向角度がイオンの質量ｍに依存しないことを説明する。一般的に、平行平板型の偏向電極を用いた静電偏向による偏向角度Θは、入射イオンビームのエネルギーをＥB 、そのイオンビームを構成するイオンの電荷をｑ、偏向電極間に印加される偏向電圧をＶ、偏向経路長をＬとすると、次式で表される。
【００９１】
［数２］
ｔａｎΘ＝ｋＶＬｑ／ＥB 、（ｋはイオンの質量に依らない定数）
【００９２】
また、円筒面状の偏向電極を用いて、イオンビームの偏向軌道が円を描くような静電偏向のときは、上記数２においてｔａｎΘをΘ［ラジアン］と置き換えて表現される。
【００９３】
上記式から明らかなように、静電偏向による偏向角度Θは、磁場偏向の場合（前記数１参照）と違って、イオンビームを構成するイオンの質量ｍに依存しない。静電偏向器３０の場合も同様である。従って、大きな質量ｍのイオンに対するエネルギー分離を行う場合でも、質量ｍに応じて偏向電圧Ｖを大きくする必要はないので、偏向電源の容量、消費電力、寸法が巨大化する等の課題は生じない。また、静電偏向器３０は、磁場を用いる偏向電磁石に比べて、軽量化、低消費電力化および低コスト化が可能である。
【００９４】
上記のように、このイオンビーム装置によれば、一つの静電偏向器３０によって、イオンビーム４の平行化とエネルギー分離の両方を行うことができるので、両者を特許文献１または２に記載の技術のように別々の機能要素によって行う場合に比べて、イオンビーム４のビームライン長を短くすることができる。
【００９５】
更に、上記のように静電偏向器３０におけるエネルギー分離機能は極めて大きいので、特許文献３に記載の技術に比べて、静電偏向器３０の出口からターゲット５０までの距離を大幅に短くすることができる。従ってこの観点からも、イオンビーム４のビームライン長を短くすることができる。
【００９６】
なお、特許文献１に記載の技術では、エネルギー分離性能を高めるために、静電偏向器の出口から相当離れた位置に、所望エネルギーのイオンビームを通し不所望エネルギーのイオンを阻止するビームマスクを設けている。これに対して、このイオンビーム装置では、上記と同じ目的および同じ作用のビームマスクを設ける場合でも、それを、静電偏向器３０の出口付近に設けることが可能である。図１に示すビームマスク４６はその一例を示す。これは、前述したように、静電偏向器３０におけるエネルギー分離機能が極めて大きいからである。従って、ビームマスク４６を設ける場合でも、静電偏向器３０からビームマスク４６までの距離を極めて短くすることができるので、やはり、ビームライン長を短くすることができる。
【００９７】
また、このイオンビーム装置によれば、図５を参照して、前記走査中心Ｐから静電偏向器３０の入口までの距離Ｌ1 を比較的小さくすることが可能である。その比較対象として、１９９２年に発行された次の文献に記載されている、静電的にイオンビームの平行化を行う技術が挙げられる。
【００９８】
イオン注入技術−９２（ION IMPLANTATION TECHNOLOGY-92),  エイ・エム・レイ他（A. M. Ray et al.) ，イートンＮＶ−８２００Ｐの概観（Overview of the Eaton NV-8200P),  ｐ．４０１−４０４
【００９９】
上記文献に記載の技術では、走査されたイオンビームの平行化のための電極の入口において、イオンビームの走査幅が、イオン注入すべきターゲットの直径に相当する値となっていなければならない。これに対して、この発明に係るイオンビーム装置では、イオンビーム４の平行化等のための静電偏向器３０の出口において、イオンビーム４ａの走査幅がターゲット５０の直径に相当する値であれば良いことから、イオンビームの走査角度を同じ条件として両技術を比較すれば、上記文献に記載の技術よりも、この発明に係るイオンビーム装置の方が、上記距離Ｌ1 を短くできることは明らかである。
【０１００】
この発明に係るイオンビーム装置では、図５を参照して、前記走査中心Ｐから静電偏向器３０の出口Ｑまでのビームライン長ＬP は、走査器１２における走査角度を±θ、静電偏向器３０における実効的な偏向半径をＲ、ターゲット５０の直径をＤとすると、次式で表される。なお、図５は、図１の走査器１２と静電偏向器３０とを抽出して拡大して示すものである。
【０１０１】
［数３］
ＬP ＝Ｌ1 ＋πＲ／２
＝Ｌ2 −Ｒ＋πＲ／２
＝Ｄ／（２ｔａｎθ）−Ｒ＋πＲ／２
＝Ｄ／（２ｔａｎθ）＋（π／２−１）Ｒ
【０１０２】
上記式より、Ｄ＝３００ｍｍ、θ＝±１５°、Ｒ＝４００ｍｍを例としてビームライン長ＬP を求めると、ＬP ≒７８８ｍｍとなる。
【０１０３】
以上のように、いずれの公知技術と比較しても、このイオンビーム装置によれば、イオンビーム４のビームライン長を短くすることができる。その結果、例えば、イオンビーム４の発散等による損失を低減してビーム輸送効率の向上を図り、大きなビーム量を確保することが可能になる。この効果は、特に低エネルギーのイオンビーム４を輸送する場合に顕著になる。
【０１０４】
また、ビームライン長を短くすることができるので、装置全体をコンパクトにすることができる。
【０１０５】
また、走査器１２以降では、イオンビーム４の走査角度方向の対称性が維持されているので、走査器１２以降の機器構成が容易である。かつ、イオンビーム４の特性が走査角度方向について均一である。前者の理由は、対称性を有する機器は、その設計、加工、配置等が容易だからである。後者の利点は、例えばスポット状のイオンビーム４の断面形状等が走査角度方向によって変化しないことである。
【０１０６】
静電偏向器３０を出たイオンビーム４ａの、その進行方向に垂直な走査ビーム断面５の形状は、即ちＹ−Ｚ平面での走査ビーム断面５の形状は、図２、図６、図１４に示すように、弧状をしている。より具体的には、前記走査中心ＰをＹ−Ｚ平面に平行な面上に投影した点Ｐ1 （図１４参照）を中心とする円弧状をしている。なお、上記各図において、走査された１本１本のイオンビーム４ａのスポット状の断面の幾つかを小円で示しており、走査されたイオンビーム４ａの全体の断面が走査ビーム断面５である。
【０１０７】
従って、上記ビームマスク４６を設ける場合、そのビーム通過穴４８の形状は、図６中に実線で示す例のように、弧状（例えば円弧状）の走査ビーム断面５に相似形またはほぼ相似形にするのが好ましい。また、走査ビーム断面５より幾分大きめにするのが好ましい。そのようにすると、静電偏向器３０とビームマスク４６とが協働して、エネルギー分離性能をより一層高めることができる。更に、イオン注入時のターゲット５０からの脱ガス（アウトガス）の影響（真空度悪化）が静電偏向器３０に及ぶのをより効率良く抑制して、偏向電極３２間で放電が発生して静電偏向器３０の動作が不安定になることをより効率良く防止することもできる。
【０１０８】
もっとも、前述したように静電偏向器３０におけるエネルギー分離性能は極めて高いので、ビームマスク４６に設けるビーム通過穴４８の形状は、図６中に二点鎖線で示すように、弧状の走査ビーム断面５を包含する長方形にしても良い。そのようにすると、ビーム通過穴４８の形状が単純になる。
【０１０９】
静電偏向器３０内は、即ちその偏向領域３４は、イオンビーム４、４ａが雰囲気中の分子、粒子と衝突することや前記放電発生を避ける等のために、高真空に維持しておくのが好ましいので、この偏向領域３４の真空排気を十分に行える真空排気装置を設けるのが好ましい。この偏向領域３４の真空排気は、図３中に矢印８０または８２で示すように、イオンビーム４ａの進行方向とは直角の方向に行うのが好ましい。そのようにすると、偏向領域３４が前記のように曲がっていても、その曲がりが排気のコンダクタンス低下を招くことが少ないので、偏向領域３４を効率良く真空排気することができる。
【０１１０】
前記静電偏向器３０に課せられる条件は、その一対の偏向電極３２の相対向面３３が前述したようにイオンビーム４の走査角度方向についての対称性を持つことと、９０度偏向であるということのみであり、それ故に、これらの条件を満足しておれば、両偏向電極３２の、より具体的にはその相対向面３３の形状は、前述した例のもの以外に、イオンビーム４ａの進行方向に沿って分割したり、複数の曲面を組み合わせて構成したり、複数の平面と曲面とを組み合わせて構成する等しても良い。
【０１１１】
例えば、図７は、図１〜図３に示した両偏向電極３２を、それぞれ、偏向角の増大方向に隙間７０をあけて２分割した例である。これよりも多く分割しても良い。また、一方の偏向電極３２のみを分割しても良い。このようにすると、当該隙間７０から、矢印８４または８６に示すように、静電偏向器３０内を、即ちその偏向領域３４を効率良く真空排気することができる。これは、偏向領域３４が前記のように曲がっていても、その曲がりが排気のコンダクタンス低下を招くことが少ないからである。
【０１１２】
図８は、両偏向電極３２の相対向面３３の断面形状を楕円にした例である。この例では、Ｚ軸に沿う方向に長軸を有する楕円であるが、Ｘ軸に沿う方向に長軸を有する楕円でも良い。
【０１１３】
図９は、両偏向電極３２を、それぞれ、複数の（図示例では三つの）偏向電極片３２ｄを組み合わせて（接続して）構成した例である。即ち、両偏向電極３２の相対向面３３を、図３に示したのと同じ軸６０を中心とする前記回転面に概ね沿う複数の（図示例では三つの）面を組み合わせて（接続して）形成した例である。その断面はほぼ図１０に示すようなものである。各偏向電極片３２ｄおよびその相対向面３３は、上記軸６０を中心軸とする円錐の一部分から成る。
【０１１４】
上記いずれの例においても、両偏向電極３２の少なくとも相対向面３３は、それぞれ、カーボン、シリコン、アルミニウムまたはこれらの化合物で形成するのが好ましい。例えば、両偏向電極３２自体をこれらの材質で形成しても良いし、両偏向電極３２の相対向面３３にこれらの材質の膜を被覆しても良い。
【０１１５】
両相対向面３３は、不所望エネルギーのイオン４ｂ（図１参照）が衝突してスパッタされる可能性がある。即ち、当該相対向面３３からそれを構成する物質を含むスパッタ粒子が叩き出される可能性がある。そこで、相対向面３３を上記のような材質で形成しておくと、このスパッタ粒子が万一ターゲット５０に到達しても、ターゲット５０の表面に作成される半導体デバイスの特性に与える影響が少ない。
【０１１６】
ところで、前記数２から明らかなように、静電偏向器３０におけるイオンビーム４の偏向角度はイオンビーム４を構成するイオンの質量ｍに依存しないので、質量ｍが異なっていても、ｑ／ＥB （ＥB はエネルギー、ｑは電荷）が同じ値を持つイオンは同じ軌道を描く。通常は、質量ｍの異なるイオンについては、走査器１２に入るまでに質量分離電磁石６を通過させて所望の質量ｍのみのイオンから成るイオンビーム４を得るのであるが、ときにより例えば水素原子を多く含むイオンや、同位体を持つイオンをターゲット５０に注入する場合があり、その場合には、質量ｍがわずかに異なる有用な（即ち所望の）イオンが複数種類イオンビーム４中に存在することになる。
【０１１７】
このようなイオンは、例えば、Ｂ2Ｈx+ （ｘ＝１，２，３，４，５，６）、Ｂ10Ｈy+ （ｙ＝１，２，・・・，１４）、Ｓbz+ （ｚ＝１２１，１２３）である。
【０１１８】
このようなイオンを用いて、できるだけ大きなイオンビーム量で注入を行いたい場合は、質量分離電磁石６の質量分解能を意図的に低下させることによって、上記のようなイオンを取り出して走査器１２に入射させることができる。そして、静電走査型の走査器１２および上記静電偏向器３０を通して取り出して、ターゲット５０に対してイオン注入を行うイオンビーム４ａとして使用することが可能となる。これは、前述したように、静電走査や静電偏向では、これら質量ｍの異なるイオンであっても、その軌道は質量ｍの違いによって異なることはなく、ターゲット５０の位置でのビーム走査領域やターゲット５０への入射角度について、全て同様に注入されるからである。
【０１１９】
イオンビームの偏向を磁場によって行う場合は、例えば特許文献２および３に記載されているイオンビームの平行化のための偏向電磁石では、ターゲット上でのイオンビームの走査位置や注入角度は、イオンの質量ｍに依存してそれが異なる上記各イオンについては異なった値となるため、注入量や入射角度の不均一性がターゲット５０の面内で発生することになり、イオン注入によって形成される半導体デバイスの特性にばらつきや劣化の問題が生じる可能性を否定できない。
【０１２０】
もっとも、走査器１２に関しては、質量がわずかに異なるイオンの上記のような利用に制限があることを抜きにすれば、あるいは適当な走査幅を設定すること等を行えば、磁界によってイオンビーム４の走査を行う磁界走査型の走査器１２を用いても良い。
【０１２１】
次に、以下における説明の準備のために、ターゲット５０の表面に入射するイオンビーム４ａの入射角度、即ち注入角について説明すると、これには二種類ある。これを図１１を参照して説明すると、図示例は第１の注入角φ（ファイ）および第２の注入角ψ（プサイ）は共に０度の場合である。ターゲット５０の表面に立てた垂線６４を考えると、イオンビーム４ａの走査方向と直交する方向におけるイオンビーム４ａと垂線６４との成す角が第１の注入角φである。イオンビーム４ａはＹ軸に沿う方向に走査されるから、Ｙ軸に平行な軸６６を中心軸にして、ターゲット５０またはイオンビーム４ａを相対的に回転させると、注入角φは変化する。垂線６４ａは、注入角φが０度でない場合の例である。
【０１２２】
イオンビーム４ａの走査方向におけるイオンビーム４ａと垂線６４との成す角が第２の注入角ψである。Ｙ軸に直交するＺ軸に平行な軸６８を中心軸にして、ターゲット５０またはイオンビーム４ａを相対的に回転させると、注入角ψは変化する。垂線６４ｂは、注入角ψが０度でない場合の例である。
【０１２３】
さて、静電偏向器３０とターゲット５０との間には、図１に示す実施形態のように、イオンビーム４ａを磁場４４によって偏向させる偏向電磁石４２を設けても良い。この偏向電磁石４２は、イオンビーム４ａの経路を挟んで相対向する磁極を有している。その磁場４４の向かう方向に見た平面の例を図１２および図１３にそれぞれ示す。
【０１２４】
この偏向電磁石４２の入口端では、イオンビーム４ａは既に平行化されていて、Ｘ−Ｙ平面にほぼ沿うほぼシート状のイオンビームになっているので、この偏向電磁石４２によるイオンビーム４ａの偏向は、このシート面とほぼ同一の面内で行われ、かつ、走査された各イオンビーム４ａについて全て同じ角度で偏向が行われるようにするのが好ましい。このような偏向電磁石４２の磁極面の形状は、概ね長方形となる。
【０１２５】
このような偏向電磁石４２を設けることによって、例えば、（ａ）第２の注入角ψの調整（図１２参照）、（ｂ）イオンビーム４ａの走査幅Ｗの拡大（図１３参照）または縮小（図１２参照）のための調整、（ｃ）ターゲット５０の近傍と静電偏向器３０との間でイオンビーム４ａ中の電子やイオンビーム４ａ以外のイオンの移動を防止すること、等を行うことができる。
【０１２６】
上記（ａ）の注入角ψの調整に関して説明すると、例えば、このイオンビーム装置の機械的組立精度が不十分で、ターゲット５０が元々正しく方位されていない状態に組み立てられているような場合、偏向電磁石４２によってこの注入角ψを調整して基準値（通常は０度）に合わせることを簡単に行うことができる。
【０１２７】
上記（ｂ）の走査幅Ｗの調整に関して説明すると、偏向電磁石４２の配置および偏向電磁石４２でのイオンビーム４ａの偏向角度を適度に取ることによって、入射イオンビーム４ａの走査幅をＷ1 、出射イオンビーム４ａの走査幅をＷ2 としたとき、図１３に示す例のようにＷ1 ＜Ｗ2 に拡大することもできるし、図１２に示す例のようにＷ1 ＞Ｗ2 に縮小することもできる。走査幅Ｗを拡大する場合を例に取ると、ターゲット５０の寸法の拡大への対応に際して、この偏向電磁石４２以外の部分に変更を加えることなく、容易に対応することができる。
【０１２８】
上記（ｃ）の作用に関して説明すると、仮に、ターゲット５０と静電偏向器３０との間で電子やイオンビーム４ａ以外のイオンの移動があると、イオンビーム４ａのビーム量の計測に誤差を生じたり、ターゲット５０への金属コンタミネーションの増大やパーティクルの付着等の不具合が生じるけれども、上記電子やイオンのエネルギーはイオンビーム４ａに比べて十分に小さいので、偏向電磁石４２による小さな偏向磁場強度で上記電子やイオンを大きく偏向させてイオンビーム４ａから大きく分離することができるので、上記不具合発生を防止することができる。
【０１２９】
静電偏向器３０を出た走査されたイオンビーム４ａの全体の走査ビーム断面５は、前述したように、円弧状をしている。例えば図１４参照。この走査ビーム断面５に対して、ターゲット５０を、その円弧の中心Ｐ1 から半径方向に機械的に往復走査（往復運動）させることによって、ターゲット５０をイオンビーム４ａに対して横切らせて（交差させて）、ターゲットの全面にイオンビーム４ａを照射してイオン注入を行うことができる。なお、図１４は、静電偏向器３０から出射するイオンビーム４ａを図２と同じ方向から見て示すものである。
【０１３０】
図１４では、イオンビーム４ａは紙面（即ち、Ｙ−Ｚ平面に平行な面）に垂直に表方向に出射しており、ターゲット５０に垂直にイオンビーム４ａを入射させる場合（即ち前記注入角φおよびψが共に０度の場合）であり、従ってターゲット５０の表面は紙面に平行であり、かつターゲット５０の往復走査の方向も紙面に平行の場合の例を示すものであるが、ターゲット５０の往復走査の方向とイオンビーム４ａの走査方向との関係は以下のとおりである。
【０１３１】
即ち、ターゲット５０の中心が、円弧状の走査ビーム断面５の円弧の中心Ｐ1 を通りかつＺ軸に平行な直線７２上を往復運動するようにターゲット５０を往復走査するのであって、しかもこの往復走査によって、直径Ｄのターゲット５０が、走査ビーム断面５のＹ軸に平行な方向の走査幅ＷS をはみ出ることがないように往復走査する。その機械的な走査幅をＷM とする。上記中心Ｐ1 から走査ビーム断面５の中心までの半径をＬ2 とする。この半径Ｌ2 は、図５に示した距離Ｌ2 と同じである。
【０１３２】
図１４の構成において、ターゲット５０の面内に均一にイオン注入を行う条件を考察する。イオンビーム４ａが走査角度θのときのＹ軸に平行な方向のイオンビーム４ａの位置（即ち直線７２からの距離）は、Ｌ2ｓｉｎθである。従って、Ｙ軸に平行な方向のイオンビーム４ａの移動速度ｖY は次式で表される。
【０１３３】
［数４］
ｖY ＝Ｌ2 ・ｃｏｓθ・ｄθ／ｄｔ
＝Ｌ2 ・ｃｏｓθ・ω、（ωはイオンビーム走査の角速度）
【０１３４】
平行平板型の走査電極による静電走査の場合には（図１および図２に示す走査器１２もそうである）、その走査電圧を時間的に一定の増加率で走査するとき、そのイオンビームの走査幅ｙは次式で表され、時間ｔに比例する。
【０１３５】
［数５］
ｙ＝ｋ・ｔａｎθ（ｔ）＝ｓｔ、（ｋ，ｓは定数、ｔは時間）
【０１３６】
従って、平行平板型の走査電極のみによる走査されたイオンビームのＹ軸に平行な方向の移動速度ｖY は、ｖY ＝ｄｙ／ｄｔ＝ｓ（一定）となる。これと上記数５とから次式が得られる。
【０１３７】
［数６］
ｋ・ｓｅｃ2θ（ｔ）・ω＝ｄｙ／ｄｔ＝ｓ（一定）
【０１３８】
この数６と上記数４とを用いて、静電偏向器３０を出た後のイオンビーム４ａのＹ軸に平行な方向の移動速度ｖY を、次式のように表すことができる。
【０１３９】
［数７］
ｖY ＝Ｌ2 ・ｃｏｓ3θ（ｔ）・ｓ／ｋ
【０１４０】
この数７で表される移動速度ｖY は、時間的に一定の値ではない。即ち、ｔａｎθが時間比例のときは、Ｙ軸に平行な方向のイオンビーム４ａの位置は時間比例とはならず、Ｙ軸に平行な方向のイオンビーム４ａの移動速度ｖY は一定にならないのである。逆に、この移動速度ｖY を一定にするには、ｓｉｎθ＝ｃｔ（ｃは定数、ｔは時間）とすれば良い。これをｔａｎθで見ると、次式とすれば良い。
【０１４１】
［数８］
ｔａｎθ＝ｓｉｎθ／（１−ｓｉｎ2θ）1/2 ＝ｃｔ／（１−ｃ2ｔ2 ）1/2 
【０１４２】
ｔａｎθは、図１および図２に示したような平行平板型の走査電極１４間に印加する走査電圧ＶS に比例するので、結局、この走査電圧ＶS を次式のように時間変化させれば良いことになる。
【０１４３】
［数９］
ＶS ＝ｃｔ／（１−ｃ2ｔ2 ）1/2 、（ｃは定数、ｔは時間）
【０１４４】
この走査電圧ＶS の時間変化の様子（即ち波形）を図１５中に実線９２で示す。但し誇張して図示している。参考までに、単なる三角波形を破線９４で示す。
【０１４５】
従って、前記走査電源１６から、走査器１２を構成する一対の互いに平行な走査電極１４間に、上記数９で表される走査電圧ＶS を印加することによって、静電偏向器３０を出たイオンビーム４ａの走査方向における直線上の走査速度、即ちＹ軸に平行な方向における走査速度が一定になる。
【０１４６】
これと、ターゲット５０を走査機構５４によって、Ｚ軸に平行な方向に一定の走査速度で機械的に往復走査することとを併用することによって、ターゲット５０の全面において均一なイオン注入量分布を得ることができる。
【０１４７】
以上は、第１および第２の注入角φおよびψが０度（即ち垂直ビーム入射）の場合についてであるが、第１の注入角φが０度でない場合（即ち角度注入の場合）の例を図１６に示す。この図は、ターゲット５０周りを図１と同じ方向から見て示すものである。この図１６において、前記走査機構５４によって、注入角φを一定に保ってターゲット５０を往復走査するには、（ａ）ターゲット５０を矢印８６に示すように、ターゲット５０の表面に平行に位置Ａ−Ｂ間で往復運動させる場合と、（ｂ）ターゲット５０を、矢印８８に示すように、Ｚ軸に平行な前記（図１４参照）軸７２に平行に位置Ａ−Ｃ間で往復運動させる場合とがある。この（ａ）、（ｂ）いずれの方向にターゲット５０を走査しても、ターゲット５０の表面に対するイオンビーム４ａの注入角φは一定である。
【０１４８】
上記（ａ）の場合は、ターゲット５０へのイオンビーム４ａの入射位置は、イオンビーム４ａの進行方向、即ちＸ軸に平行な方向において、ターゲット５０の面内で変化せず一定である。つまり、ターゲット５０の全ての面内において、上記軸７２から一定の距離Ｌ4 の位置で入射し、従って、仮にイオンビーム４ａの状態（例えば断面寸法）がその進行方向において変化するようなことがあったとしても、イオンビーム４ａをターゲット５０の全面に同一条件で照射してイオン注入を行うことができる。しかし、ターゲット５０の機械的な往復走査幅は、上記（ｂ）の場合よりも１／ｃｏｓφだけ大きくなる。
【０１４９】
一方、上記（ｂ）の場合は、ターゲット５０へのイオンビーム４ａの入射位置は、Ｘ軸に平行な方向において、ターゲット５０の面内で変化する。即ち、ターゲット５０が位置ＡからＣへ走査された場合を考えると、イオンビーム４ａは、ターゲット５０の表面の一端部５０ａから中央部５０ｂを経て他端部５０ｃへと照射され、ターゲット５０の面内において距離Ｌ3 だけ変化（前後）する。従って、上記（ａ）の場合とは長所と短所とが逆になる。
【０１５０】
しかし、（ａ）、（ｂ）いずれの場合でも、ターゲット５０の面内における良好な注入均一性を確保するために必要な走査電圧ＶS の時間変化は、前記数９に基づいて達成することができる。
【０１５１】
このイオンビーム照射装置において、ターゲット５０に対する注入均一性の測定と、その測定情報に基づくイオンビーム４の走査波形等の整形手法については、例えば、特許第２９６９７８８号公報に記載されている技術を利用することが可能である。
【０１５２】
これを図１を参照して簡単に説明すると、ターゲット５０を保持するホルダ５２の上流側および下流側に、Ｙ軸に沿う方向に走査されたイオンビーム４ａを受けることのできる、走査方向に（即ちＹ軸に沿う方向に）多点の多点ファラデー列５６および５８をそれぞれ設けておく。下流側の多点ファラデー列５８はイオンビーム４ａのビームライン上に固定しておいても良いが、上流側の多点ファラデー列５６は、矢印７８に示すように移動させて、測定時にのみイオンビーム４ａのビームライン上に移動させる。
【０１５３】
上記二つの多点ファラデー列５６および５８から得られる、走査されたイオンビーム４ａの走査方向のビーム電流量（ビーム電流の時間積分値）の分布やビームの平行性についての情報に基づいて、それらが良好なものとなるように、走査器１２に供給する走査電圧ＶS の波形や静電偏向器３０に供給する偏向電圧ＶD の大きさの調整を行えば良い。即ち、ビーム電流量が他よりも多い所では、その位置に対応する部分の走査電圧ＶS をゆっくり変化させ、他よりも少ない所では速く変化させるようにすれば良い。
【０１５４】
ターゲット５０に入射するイオンビーム４ａの平行性については、図１７を参照して、偏向電圧ＶD が適切なときは同図（Ａ）に示すようにＸ軸に平行な平行ビームとなり、偏向電圧ＶD が不足して偏向角度が９０度よりも小さいときは同図（Ｂ）に示すようにＸ軸に平行よりも広がったビームとなり、偏向電圧ＶD が過大で偏向角度が９０度よりも大きいときは同図（Ｃ）に示すようにＸ軸に平行よりも狭まったビームとなる。従って、上記二つの多点ファラデー列５６および５８からの情報に基づいて、図１７（Ｂ）または（Ｃ）の状態になっていることが測定されたら、その各々の程度に応じて偏向電圧ＶD を大きくしたり小さくしたりすれば良い。
【０１５５】
この発明に係るイオンビーム装置（より具体的にはイオン注入装置）の仕様の一例を示すと次のとおりである。
【０１５６】
Ｘ−Ｚ平面の方向：水平
Ｙ−Ｚ平面の方向：垂直
走査器１２へのイオンビームの入射方向：Ｚ軸に平行
ターゲット５０に入射するイオンビーム４ａのエネルギー：１ｋｅＶ〜３００ｋｅＶ    イオンビーム４ａを構成するイオンの質量ｍ：１０ＡＭＵ〜２５０ＡＭＵ
イオン源２からのイオンビーム４の引出し電圧：１０ｋＶ〜５０ｋＶ
質量分離電磁石６：設置している。
分析スリット１０：走査器１２のすぐ上流側に設置。そのスリット幅を可変にして、質量分解能の調整が可能（質量分解能の可変範囲は、ｍ／Δｍ＝１０〜１００）。
静電型の走査器１２に印加する走査電圧ＶS ：最大で±２０ｋＶ
同走査器１２での走査角度θ：最大で±２０度
加減速器２２：設置している。
加減速電圧ＶA ：０〜２５０ｋＶ
偏向電圧±ＶD ：最大で±１００ｋＶ
静電偏向器３０の偏向電極３２の材質：カーボン
偏向電極３２の相対向面の３３の形状：トーラス面の一部
静電偏向器３０での偏向半径Ｒ：最大で１０００ｍｍ
距離Ｌ1 （図５参照）：最大で１０００ｍｍ
静電偏向器３０出口からターゲット５０間の距離：最大で５００ｍｍ（偏向電磁石４２を設けない場合）
ビームマスク４６のビーム通過穴４８の形状：円弧状
注入時のホルダ５２の往復走査方向：水平
角度注入：可能。即ち、ホルダ５２を軸６６（図１１参照）の周りに回転させて注入角φを設定可能。
ホルダ５２の往復走査方向：ターゲット５０の表面に平行
多点ファラデー列５６および５８：設置している。これらからの測定情報に基づいて、走査電圧ＶS および偏向電圧ＶD の調整が可能。
【０１５７】
次に、静電偏向器３０に、前記機能（即ち、イオンビームの平行化およびエネルギー分離の機能）に加えて、イオンビームを加速または減速する機能を持たせることができる実施形態を、前記各実施形態との相違点を主体にして説明する。なお、以下においては、イオンビームの加減速を主体としており、エネルギー分離の作用については前述したとおりであるので、イオンビームの符号は４で代表している。
【０１５８】
図１８は、静電偏向器にイオンビームの加減速機能を持たせる場合の一実施形態を示す図である。この実施形態では、静電偏向器３０は、間隔をあけて相対向する内側の偏向電極３２ａおよび外側の偏向電極３２ｂを有している。この内外の偏向電極３２ａおよび３２ｂは、それぞれ、偏向角の増大方向にｎ個（ｎは２以上の整数）に分割されていてｎ組の偏向電極を形成している。即ち、内側の偏向電極３２ａ1 とそれに対応する外側の偏向電極３２ｂ1 とで１組の偏向電極を形成しており、内側の偏向電極３２ａ2 とそれに対応する外側の偏向電極３２ｂ2 とで１組の偏向電極を形成しており、以下同様であり、このような偏向電極の組が図１８では、図示の都合上で４組（即ちｎ＝４）としているが、これに限られるものではない。
【０１５９】
このｎ組の偏向電極の相対向面３３間の間隔は、この実施形態では、静電偏向器３０の入口から出口に至るまで一定である。このような偏向電極の形状を、以下において、断面円弧状の偏向電極と簡略化して呼ぶ場合がある。
【０１６０】
この静電偏向器３０の入口の電位をＶ1 、出口の電位をＶ2 とすると、イオンビーム４を前記のように偏向しながら減速するときは数１０の関係を満たすものにし、加速するときは数１１の関係を満たすものにする。
【０１６１】
［数１０］
Ｖ1 ＜Ｖ2 
【０１６２】
［数１１］
Ｖ1 ＞Ｖ2 
【０１６３】
前記ｎ組の偏向電極の内の内側の各偏向電極３２ａ1 〜３２ａn には、第１の（内側用の）偏向電源４０ａから、入口側からそれぞれ、電圧Ｖa1〜Ｖanが印加される。ｎ組の偏向電極の内の外側の各偏向電極３２ｂ1 〜３２ｂn には、第２の（外側用の）偏向電源４０ｂから、入口側からそれぞれ、電圧Ｖb1〜Ｖbnが印加される。両偏向電源４０ａ、４０ｂは、それぞれ、１台の電源で構成しても良いし、複数台の電源で構成しても良い。
【０１６４】
より具体例を示すと、内外の各偏向電極３２ａ1 〜３２ａn 、３２ｂ1 〜３２ｂn に各電圧Ｖa1〜Ｖbnをそれぞれ印加する偏向電源４０ａ、４０ｂの例として、（１）抵抗分割法、または、（２）多電源法によるものを用いることができる。これを以下に説明する。  
【０１６５】
（１）抵抗分割法による偏向電源
これの回路図の一例を図２９に示す。この偏向電源４０ａ、４０ｂは、内外の偏向電極３２ａ1 〜３２ａn 、３２ｂ1 〜３２ｂn に印加する最大電圧範囲に対して、その最大電圧を供給することができる電源（図示例では偏向兼加速用電源１１２および偏向兼減速用電源１１４）をそれぞれ設け、これらの電源からの出力電圧を複数の可変抵抗器１１６でそれぞれ分割して出力することによって、イオンビームの条件に対して所望の電圧Ｖa1〜Ｖan、Ｖb1〜Ｖbnを出力することができる。内外の偏向電極に印加する電圧範囲が正、負にまたがる場合は、図示例のように正、負に対応した二つの電源１１２、１１４をそれぞれ設ければ良い。加速モードまたは減速モードのいずれか一方のみで使用する場合は、上記偏向兼加速用電源１１２または偏向兼減速用電源１１４のいずれかのみを設ければ良く、両モードを切り換えて使用する場合は、図示例のように、上記偏向兼加速用電源１１２および偏向兼減速用電源１１４の両方を設けると共に、切換スイッチ１１８を設けて、加速モードまたは減速モードに応じた電圧を切り換えて出力するようにすれば良い。この抵抗分割法は、電源数を少なくすることができる利点がある。
【０１６６】
（２）多電源法による偏向電源
この回路図の一例を図３０に示す。この偏向電源４０ａ、４０ｂは、各偏向電極３２ａ1 〜３２ａn 、３２ｂ1 〜３２ｂn に対応して、また加速モード、減速モードに対応して、直列に接続した複数の電源（図示例では偏向兼加速用電源１１２および偏向兼減速用電源１１４）を用いるものである。内外の偏向電極３２ａ1 〜３２ａn 、３２ｂ1 〜３２ｂn に印加する電圧Ｖa1〜Ｖan、Ｖb1〜Ｖbnの範囲が正、負にまたがる場合は、一部の電源に正または負の電圧の出力が可能なものを用いれば良い。加速モードと減速モードとの切り換えには、上記（１）の場合と同様に、複数の切換スイッチ１１８を設けておけば良い。なお、この（２）の方法の場合、全ての偏向電極３２ａ1 〜３２ａn 、３２ｂ1 〜３２ｂn に電源を設けるのは不経済であるので、上記（１）の方法を併用して抵抗分割で一部分を置き換えても良い。また、実際には、数多くの電源を個別に設けるのは困難なことが多いので、一つにまとめた電源から多数の電圧を供給するようにするのが好ましい。
【０１６７】
上記各電圧は、イオンビーム４を当該静電偏向器３０で減速するときは、次式の関係を満たすものにする。
【０１６８】
［数１２］
Ｖa1＜Ｖa2＜・・・＜Ｖan
Ｖb1＜Ｖb2＜・・・＜Ｖbn
Ｖa1＜Ｖb1、Ｖa2＜Ｖb2、・・・、Ｖan＜Ｖbn
【０１６９】
上記各電圧は、イオンビーム４を当該静電偏向器３０で加速するときは、次式の関係を満たすものにする。
【０１７０】
［数１３］
Ｖa1＞Ｖa2＞・・・＞Ｖan
Ｖb1＞Ｖb2＞・・・＞Ｖbn
Ｖa1＜Ｖb1、Ｖa2＜Ｖb2、・・・、Ｖan＜Ｖbn
【０１７１】
上記数１０および数１２の関係を満たすことによって、静電偏向器３０において、イオンビーム４を、前記のように偏向しながら、徐々に減速することができる。また、上記数１１および数１３の関係を満たすことによって、静電偏向器３０において、イオンビーム４を、前記のように偏向しながら徐々に加速することができる。
【０１７２】
このように、この実施形態では、静電偏向器３０において、イオンビーム４を、偏向しながら減速または加速することができるので、前述したような加減速器２２を別個に設けなくて済む。そのために、図１８の実施形態では加減速器２２を設けていない。その結果、加減速器を別個に設ける場合に比べて、ビームライン長をより短くすることができるので、イオンビーム４の発散等による損失をより低減してビーム輸送効率をより向上させることができ、より大きなビーム量を確保することが容易になる。また、ビームライン長をより短くすることができるので、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
【０１７３】
特に、イオンビーム４を減速する場合、加減速器２２を設けてそれで所望エネルギーまで完全に減速した後に静電偏向器３０内を通過させると、低エネルギーでのビームラインが長くなって空間電荷効果によるイオンビーム４の発散が大きくなるのに対して、この実施形態では、静電偏向器３０内でイオンビーム４を偏向しながら徐々に所望エネルギーまで減速するので、低エネルギーでのビームラインは静電偏向器３０内の途中からとなって短くなり、従って空間電荷効果によるイオンビーム４の発散を抑制することができる。その結果、低エネルギーで大電流のイオンビーム４を取り出すことが容易になる。
【０１７４】
なお、この実施形態の静電偏向器３０は、上記のようにイオンビーム４を減速することもできるし、加速することもできる。また、加減速の必要がなければ、前述したような偏向だけを行うこともできる。その場合は、前記Ｖ1 ＝Ｖ2 とし、かつ次式の関係を満たすようにすれば良い。
【０１７５】
［数１４］
Ｖa ＝Ｖa1＝Ｖa2＝・・・＝Ｖan
Ｖb ＝Ｖb1＝Ｖb2＝・・・＝Ｖbn
Ｖa ＜Ｖb 
【０１７６】
走査器１２と静電偏向器３０との間には、より具体的には静電偏向器３０の入口の上流側付近には、図１８中に二点鎖線で示すように、必要に応じて、静電偏向器３０に入射するイオンビーム４の方向調整や整形等を行う、例えばＸ方向の方向調整やＸ方向の厚さ調整を行うレンズ系１１０を設けても良い。このレンズ系１１０は、例えば静電レンズ、より具体例を挙げればユニポテンシャルレンズである。このレンズ系１１０のビーム通過穴は、図示しないけれども、前記加減速器２２のビーム通過穴２６と同様の形状にするのが好ましい。
【０１７７】
次に、静電偏向器３０によって、イオンビーム４を偏向しながら減速または加速する場合の原理や、この加減速を円滑に行うことができる条件（電極の形状、印加電圧等）等について詳述する。
【０１７８】
（１）静電偏向器３０が断面円弧状の偏向電極を有する場合
（１−１）９０度偏向のみで加減速を行わない場合
この場合を、図１９を参照して説明する。内側の偏向電極３２の半径（具体的には、その相対向面３３の半径。以下同様）をｒa 、外側の偏向電極３２ｂの半径（具体的には、その相対向面３３の半径。以下同様）をｒb 、イオンビーム４（より具体的には所望エネルギーのイオンビーム）の軌道半径をｒc 、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂに印加される電圧をそれぞれＶa 、Ｖb とする。９０度偏向を行うのでＶa ＜Ｖb である。静電偏向器３０の入口の電位をＶ1 、出口の電位をＶ2 とすると、この場合は加減速を行わないのでＶ1 ＝Ｖ2 ＝０［Ｖ］とする。
【０１７９】
この場合の電場Ｅは次式で与えられる。ｌｏｇは自然対数である。ｒは、偏向電極３２ａ、３２ｂ間の任意の点の半径である。
【０１８０】
［数１５］
Ｅ＝（Ｖb −Ｖa ）／ｒ・ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）
【０１８１】
上記半径ｒの点の電位Ｖは、数１５を積分して、次式で与えられる。ここでｒ＝ｒa でＶ＝Ｖa 、ｒ＝ｒb でＶ＝Ｖb である。
【０１８２】
［数１６］
Ｖ＝｛（Ｖb −Ｖa ）／ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）｝ｌｏｇ（ｒ／ｒa ）＋Ｖa 
【０１８３】
イオンビーム４の軌道が半径ｒの円軌道を取るためには、イオンビーム４を構成するイオンの電荷をｑ、ビーム速度をｖとすると、半径ｒ方向の釣合いの条件より、次式が成立する。
【０１８４】
［数１７］
ｑＥ＝ｍｖ2 ／ｒ
【０１８５】
イオンビーム４の運動エネルギーに対応した加速電圧をＶm とすると、次式が成立する。
【０１８６】
［数１８］
ｍｖ2 ／２＝ｑＶm 
【０１８７】
数１７および数１８より、Ｅ＝２Ｖm ／ｒとなり、これを数１５に入れると、次式が得られる。
【０１８８】
［数１９］
Ｖb −Ｖa ＝２Ｖm ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）
【０１８９】
つまり、半径ｒa と半径ｒb との比の対数の２倍に、イオンビーム４の運動エネルギーに対応した加速電圧Ｖm を掛けたものが、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂ間の電位差になる。通常、加減速がない場合は、前述したように電圧Ｖb を＋ＶD 、電圧Ｖa を−ＶD に取り、イオンビーム４の軌道上での電位が０Ｖになるように決められる。このとき、数１９から数２０が得られる。
【０１９０】
［数２０］
ＶD ＝Ｖm ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）
【０１９１】
加減速がある場合は、平行平板のときと同様にバイアス電圧Ｖbiasを考慮して、次式のような形で扱われることが多い。このバイアス電圧Ｖbiasは加減速に用いられる。
【０１９２】
［数２１］
Ｖa ＝−ＶD ＋Ｖbias、Ｖb ＝ＶD ＋Ｖbias
【０１９３】
（１−２）９０度偏向および加減速を行う場合
この場合を、図２０を参照して説明する。ここでは、偏向電極は２組としている。図１９と共通する部分の符号は、大部分を省略している。
【０１９４】
一例として、静電偏向器３０の入口のエネルギーが２０ｋｅＶのイオンビーム４を１５ｋｅＶだけ減速して、出口で５ｋｅＶにまで減速する場合を考える。この場合、静電偏向器３０の入口の電位Ｖ1 を−１５ｋＶ、出口の電位Ｖ2 を０Ｖとする。出口でのイオンビーム４の運動エネルギーｑＶe に対応する電圧Ｖe は５ｋＶである。
【０１９５】
内側の偏向電極３２ａ1 、３２ａ2 の半径はｒa で変わらないものとする。外側の偏向電極３２ｂ1 、３２ｂ2 の半径もｒb で変わらないものとする。簡単のために、Ｋ1 ＝ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）と置く。
【０１９６】
静電偏向器３０の入口でのイオンビーム４の運動エネルギーはｑＶm1［ｅＶ］である。そこで、数２０より次式が得られる。
【０１９７】
［数２２］
ＶD1＝Ｋ1 （Ｖe −Ｖ1 ）＝Ｋ1 Ｖm1
【０１９８】
また、数２１におけるＶbiasをＶ1 とすることにより、入口側の偏向電極３２ａ1 、３２ｂ1 の電圧Ｖa1、Ｖb1は次式となる。
【０１９９】
［数２３］
Ｖa1＝−ＶD1＋Ｖ1 
Ｖb1＝ＶD1＋Ｖ1 
【０２００】
同様に、静電偏向器３０の出口でのイオンビーム４の運動エネルギーはｑＶm2［ｅＶ］である。上記と同様にして、数２４が得られる。また、出口側の偏向電極３２ａ2 、３２ｂ2 の電圧Ｖa2、Ｖb2は数２５となる。
【０２０１】
［数２４］
ＶD2＝Ｋ1 （Ｖe −Ｖ2 ）＝Ｋ1 Ｖm2
【０２０２】
［数２５］
Ｖa2＝−ＶD2＋Ｖ2 
Ｖb2＝ＶD2＋Ｖ2 
【０２０３】
内側の偏向電極３２ａ1 、３２ａ2 同士間の電位差Ｖinは、数２３および数２５より、次式となる。
【０２０４】
［数２６］
Ｖin＝Ｖa2−Ｖa1＝（１＋Ｋ1 ）（Ｖ2 −Ｖ1 ）
【０２０５】
同様に外側の偏向電極３２ｂ1 、３２ｂ2 同士間の電位差Ｖout は、前記数２３および数２５より、次式となる。
【０２０６】
［数２７］
Ｖout ＝Ｖb2−Ｖb1＝（１−Ｋ1 ）（Ｖ2 −Ｖ1 ）
【０２０７】
以上から、例えばｒa ＝０．３５［ｍ］、ｒb ＝０．４５［ｍ］の場合はＫ1 ＝０．２５１となり、かつ前記のようにＶ1 ＝−１５［ｋＶ］、Ｖ2 ＝０［Ｖ］であるので、Ｖin＝１８．７７［ｋＶ］、Ｖout ＝１１．２３［ｋＶ］となる。即ち、Ｖout よりもＶinの方が大きく、両者の差は、減速電圧（即ちＶ2 とＶ1 との差）が大きくなるほど大きくなるので、隣り合う偏向電極３２ａ1 と３２ａ2 との間での電場が大きくなり、注意しないと、イオンビーム４の軌道を大きく乱す原因になる。平行平板電極であれば、Ｋ1 ＝０でこのようなことは起こらない。
【０２０８】
上記電場の乱れは、隣り合う偏向電極間の間隔を広げることである程度緩和されるが、広げ過ぎると電場Ｅが弱くなり、イオンビーム４を偏向させにくくなるので、注意を要する。
【０２０９】
上記図２０の原理に従って、ビーム軌道等をシミュレーションした結果の一例を図２１に示す。
【０２１０】
ここで、図２１〜図２８のシミュレーションに共通する事項を予め説明しておくと、このシミュレーションは２次元解析であり、イオンビーム４を構成するイオンの質量数は１１、イオンビーム４のビーム電流密度は２５ｍＡ／ｍとした（分母がｍ2 でないのは、ここでは２次元解析であり、紙面の表裏方向の奥行１ｍについての電流密度だからである）。静電偏向器３０の入口および出口でのイオンビーム４のエネルギーは各図中に示している。内側の偏向電極３２ａと外側の偏向電極３２ｂとは、添字１、２・・・の同じものがそれぞれ組を成している。静電偏向器３０の入口付近および出口付近を囲む太い実線１０２および１０４は、シミュレーションの境界条件を定めるためのものであり、ビームラインの壁面を模擬したものである（但し、これは、実際の装置のビームラインの形状が図示のようなものであることを意味するものではない）。それらの電位を括弧内に示している。これらの電位が、静電偏向器３０の入口および出口の電位Ｖ1 およびＶ2 にそれぞれ相当する。静電偏向器３０の出口側の電位は通常は０Ｖであるので、このシミュレーションでもそのようにしている。図２１中の太い実線１０３も、上記と同様に境界条件を定めるためのものである。等電位面（ここでは２次元解析だから等電位線とも言える）を符号１０６で示している。二つの等電位面１０６間の電位差は、各図中に△Ｖで示している。電位０Ｖの等電位面には０Ｖを付している。
【０２１１】
図２１は、２組の断面円弧状の偏向電極３２ａ1 、３２ａ2 、３２ｂ1 、３２ｂ2 を有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー２０ｋｅＶから５ｋｅＶへと減速する場合の例である。勿論、イオンビーム４を９０度偏向させる（これは、全ての例について共通の事項であるので、以下では言及を省略する）。
【０２１２】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ1 ：−２０ｋＶ、      ３２ｂ1 ：−９．９ｋＶ
３２ａ2 ：−１．４ｋＶ、    ３２ｂ2 ：１．４ｋＶ
【０２１３】
この図２１の例では、前述した隣り合う偏向電極間の間隔および各偏向電極に印加する電圧に注意したので、イオンビーム４の軌道の乱れを比較的小さいものに抑えることができている。
【０２１４】
（２）静電偏向器３０においてイオンビーム４の加減速をより円滑に行う方法
イオンビーム４を静電偏向器３０内で急激に減速すると、そこに空間電荷が集中し、イオンビームの発散が大きくなる。これを避けるためには、イオンビーム４を緩やかに減速することが望ましい。加速の場合も、程度の差はあれ、イオンビーム４を緩やかに加速することが望ましいのに変わりはない。
【０２１５】
再び図１９を参照して、ここでは、一例として、静電偏向器３０内におけるイオンビーム４の軌道上での任意の角度βでの電位Ｖを、次式のように一次式で変化させることを考える（但し、他の適度に緩やかな関数でも良い）。角度βは、ここでは、入射イオンビーム４に平行な線１０８（換言すれば前記Ｚ軸）に対する角度であり、静電偏向器３０の入口の開始角βstart が９０度、出口の最終角βend が１８０度である。開始角βstart でＶ＝Ｖ1 、最終角βend でＶ＝Ｖ2 に変化するように設定する。
【０２１６】
［数２８］
Ｖ＝｛（Ｖ2 −Ｖ1 ）／（βend −βstart ）｝・（β−βstart ）＋Ｖ1 
【０２１７】
加減速中のイオンビーム４の運動エネルギーは次式で与えられる。ここで、前述したように、Ｖm は運動エネルギーに対応した電圧、Ｖe は静電偏向器３０の出口での運動エネルギーに対応する電圧である。
【０２１８】
［数２９］
ｍｖ2 ／２＝ｑＶm ＝ｑ（Ｖe −Ｖ）
【０２１９】
一方、静電偏向器３０内の半径ｒの点の電位Ｖは、前記数１６より与えられる。もう一度書けば次のとおりである。
【０２２０】
［数３０］
Ｖ＝｛（Ｖb −Ｖa ）／ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）｝ｌｏｇ（ｒ／ｒa ）＋Ｖa 
【０２２１】
そこで、この数３０と前記数２８とを等しいとおくと、望むビーム軌道上の電位を、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂに印加する電圧Ｖa およびＶb で設定することができる。数３０を変形すると次式が得られる。
【０２２２】
［数３１］
ｌｏｇ（ｒ／ｒa ）＝｛（Ｖ−Ｖa ）／（Ｖb −Ｖa ）｝ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）
【０２２３】
一方、前記数１９と数２９より、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂ間の電場の条件は次式で与えられる。
【０２２４】
［数３２］
ｌｏｇ（ｒb ／ｒa ）＝（Ｖb −Ｖa ）／２（Ｖe −Ｖ）
【０２２５】
数３１と数３２より、静電偏向器３０内の任意の半径ｒでの電位の条件は、次の数３３または数３４で与えられる。
【０２２６】
［数３３］
ｌｏｇ（ｒ／ｒa ）＝（Ｖ−Ｖa ）／２（Ｖe −Ｖ）
【０２２７】
［数３４］
ｌｏｇ（ｒb ／ｒ）＝（Ｖb −Ｖ）／２（Ｖe −Ｖ）
【０２２８】
数２８に示す軌道上での電位Ｖは、角度βの関数である。この角度βを媒介変数として、数２８より電位Ｖを計算し、数３３よりイオンビーム４の設計上での軌道半径をｒ＝ｒc として与えることで、内側の偏向電極３２ａの半径ｒa が求まる。同様にして、数３４より、外側の偏向電極３２ｂの半径ｒb が求まる。これらを数３５に示す。
【０２２９】
［数３５］
ｒa ＝ｒc ｅｘｐ｛−（Ｖ−Ｖa ）／２（Ｖe −Ｖ）｝
ｒb ＝ｒc ｅｘｐ｛（Ｖb −Ｖ）／２（Ｖe −Ｖ）｝
【０２３０】
上記電位Ｖは、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂの電圧Ｖa 、Ｖb に挟まれるために、両者の中間の電位、即ちＶb ＞Ｖ＞Ｖa でなければならない。また、イオンビーム４が静電偏向器３０を通過して外に出て行くためにはＶe ＞Ｖでなければならない。これらの条件内で、数３５より、ｒb ＞ｒc ＞ｒa でイオンビーム４が偏向電極３２ａ、３２ｂ間を通過することが分かる。
【０２３１】
内外の偏向電極３２ａ、３２ｂの電圧Ｖa 、Ｖb を主眼にして表せば、数３１、数３２より、ｒ＝ｒc として、次式で与えられる。
【０２３２】
［数３６］
Ｖa ＝Ｖ−２（Ｖe −Ｖ）ｌｏｇ（ｒc ／ｒa ）
Ｖb ＝Ｖ＋２（Ｖe −Ｖ）ｌｏｇ（ｒb ／ｒc ）
【０２３３】
上記数３５と数３６とは、互いに数学的に等価の関係にある。従って、数３５または数３６の関係を満たすようにすれば、イオンビーム４の設計上の軌道半径上でイオンビーム４の所定の加速または減速を円滑に行うことができる。その場合、上記関係を厳密に満たすのが最も好ましいけれども、現実的には、少しのずれは許されるので、上記関係を実質的に満たせば良い。換言すれば、上記関係をほぼ満たせば良い。
【０２３４】
実際の静電偏向器３０の仕様の例としては、次のようなものが採り得る。
（ａ）電圧Ｖa 、Ｖb を一定として、角度βに対して半径ｒa 、ｒb を変える。
（ｂ）半径ｒa 、ｒb を一定として、角度βに対して電圧Ｖa 、Ｖb を変える。この場合は、印加電圧Ｖa 、Ｖb を変えるために、偏向電極３２ａ、３２ｂを複数組に分ける。  （ｃ）軌道半径ｒc を変える
（ｄ）以上の組み合わせを採用する。
【０２３５】
厳密には、静電偏向器３０の最適な電極形状は、ビームエネルギーや加減速等の条件でそれぞれ異なる。低エネルギーの場合は、イオンビーム４のエネルギーが低いために細かい電場のリップルが無視しにくくなるために、この場合の電極形状は特に重要である。しかし、高エネルギーになれば、電極形状は完全に適していなくても、平均的なものであれば、ビーム軌道上では同様な電場を生じているために、ビーム軌道に大きな違いは出ないため、細かい電場のリップルは無視できる。
【０２３６】
一つの方法として、減速モードに適した多数の偏向電極の組を作り、加速モードに対しては、それら多数組の偏向電極にそれぞれ平均的な電圧を印加することで、同じ偏向電極で、加速モードに対応させることもできる。減速モードのみでは多数の電極を必ずしも必要としないが、高エネルギーモード（即ち加速モード）にも対応するために、多数の電極の方が好ましい。
【０２３７】
もう一つの方法としては、比較的製作しやすい多数の半径一定の断面円弧状の偏向電極を用いて、その各々に、平均的な電圧を印加することによって、加減速の両モードに対応させる方法も採り得る。
【０２３８】
あるいは、内外の偏向電極の角度をそれぞれ機械的に操作することによって、電極角度と電圧とを変えて、最適な運転をする方法も採り得る。
【０２３９】
図２２は、４組の出口に向かって広がっている偏向電極３２ａ1 〜３２ａ4 、３２ｂ1 〜３２ｂ4 を有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー２０ｋｅＶから５ｋｅＶへと減速する場合の例である。
【０２４０】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ1 ：−２０．３ｋＶ、    ３２ｂ1 ：−５．２ｋＶ
３２ａ2 ：−１２．１ｋＶ、    ３２ｂ2 ：−１．９ｋＶ
３２ａ3 ：−６．６ｋＶ、      ３２ｂ3 ：０．２ｋＶ
３２ａ4 ：−２．８ｋＶ、      ３２ｂ4 ：１．８ｋＶ
【０２４１】
前記ｒa ＝０．３５［ｍ］、ｒb ＝０．５１［ｍ］、ｒc ＝０．４［ｍ］、前記電位Ｖ1 ＝−１５［ｋＶ］、Ｖ2 ＝０［Ｖ］、βstart ＝９０［度］、βend ＝１８０［度］、ｌｏｇ（ｒc ／ｒa ）＝０．１３３５、ｌｏｇ（ｒb ／ｒc ）＝０．２４２９５とし、偏向電極の初期位置β＝９０［度］からビーム偏向方向に偏向電極を伸ばすと、βstart で前記電位Ｖ＝Ｖ1 であるから、前記数３６より次式となる。
【０２４２】
［数３７］
Ｖa ＝−１５００−２×０．１３３５×（５０００＋１５０００）＝−２０３４０［Ｖ］
Ｖb ＝−１５００＋２×０．２４２９５×（５０００＋１５０００）＝−５２８２［Ｖ］
【０２４３】
このようにして、電圧Ｖa 、Ｖb が決まれば、数３５より半径ｒa 、ｒb を角度βに対して計算して求め、それに設定する。この例では、前記電位Ｖは数２８より、Ｖ＝Ｖb になるのが、β＝１４８．３［度］になり、この角度を越すとＶ＞Ｖb になり適用限界が来る。この場合、数３５よりｒb はＶb ＝Ｖでｒb ＝ｒc になるので、この角度を越すと、ｒb ＜ｒc となり、外側の偏向電極３２ｂがイオンビーム４の軌道に入り込むことになる。このような場合には、その手前の角度βs を取り、次の電極組を設定すれば良い。例えば、再度半径ｒa 、ｒb の初期値を取り（この例の場合はｒa ＝０．３５［ｍ］、ｒb ＝０．５１［ｍ］）、数２８から、角度βs に対する軌道上の電位Ｖ（βs ）を求め、前記と同様に数３６により、再び電圧Ｖa 、Ｖb を決定し、数３５より角度βに対する半径ｒa 、ｒb を計算すれば良い。前記手前の角度βs としては、イオンビーム４の断面寸法（ビーム径）を考慮して、内外の偏向電極３２ａ、３２ｂが、イオンビーム４に当たらないように選べば良い。以上の理由から、図２２の例では、偏向電極を段差の付いた４組にしている。
【０２４４】
図２２の偏向電極３２ａ1 〜３２ａ4 、３２ｂ1 〜３２ｂ4 の半径ｒa 、ｒb の角度βに対する依存性を図２３に示す。各組の内外の偏向電極間の間隔は、角度βが大きくなるに従って、即ち静電偏向器３０の出口に向かうに従って広くなっている。
【０２４５】
図２２および図２３の例は、偏向電極の数を４組に省略して示しているが、当該組の数は４組に限定されるものではなく、それより少なくしても良いし、多くしても良い。組数を多くすると、イオンビーム４の軌道の乱れ（発散）をより少なくして、イオンビーム４をより円滑に減速（または加速）することができる。後述する図２４〜図２６の例においても同様のことが言える。
【０２４６】
この図２２の例では、図２１の例に比べて、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に減速されていることが分かる。即ちビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【０２４７】
図２４は、４組の出口に向かって狭くなっている偏向電極３２ａ1 〜３２ａ4 、３２ｂ1 〜３２ｂ4 を有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー４０ｋｅＶから２００ｋｅＶへと加速する場合の例である。図２２の場合とは反対に、各組における内外の偏向電極間の間隔は、角度βが大きくなるに従って、即ち静電偏向器３０の出口に向かうに従って狭くなっている。
【０２４８】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ1 ：１２５．５ｋＶ、    ３２ｂ1 ：１７７．８ｋＶ
３２ａ2 ：８５．８ｋＶ、      ３２ｂ2 ：１６６．０ｋＶ
３２ａ3 ：２６．２ｋＶ、      ３２ｂ3 ：１４８．３ｋＶ
３２ａ4 ：−６６．４ｋＶ、    ３２ｂ4 ：１２０．７ｋＶ
【０２４９】
この図２４の例の場合も、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に加速されていることが分かる。即ちビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【０２５０】
図２５は、９組の断面円弧状の偏向電極３２ａ1 〜３２ａ9 、３２ｂ1 〜３２ｂ9 を有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー２０ｋｅＶから５ｋｅＶへと減速する場合の例である。内外の偏向電極の前記半径ｒa 、ｒb は、それぞれ一定である。即ち、内外の偏向電極間の間隔は、静電偏向器３０の入口から出口に至るまで一定である。
【０２５１】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ1 ：−２２．７ｋＶ、    ３２ｂ1 ：−９．６ｋＶ
３２ａ2 ：−２０．３ｋＶ、    ３２ｂ2 ：−８．３ｋＶ
３２ａ3 ：−１７．８ｋＶ、    ３２ｂ3 ：−７．１ｋＶ
３２ａ4 ：−１５．４ｋＶ、    ３２ｂ4 ：−５．８ｋＶ
３２ａ5 ：−１３．０ｋＶ、    ３２ｂ5 ：−４．５ｋＶ
３２ａ6 ：−１０．６ｋＶ、    ３２ｂ6 ：−３．２ｋＶ
３２ａ7 ：−８．２ｋＶ、      ３２ｂ7 ：−２．０ｋＶ
３２ａ8 ：−５．８ｋＶ、      ３２ｂ8 ：−０．７ｋＶ
３２ａ9 ：−３．４ｋＶ、      ３２ｂ9 ：０．５ｋＶ
【０２５２】
この図２５の例の場合も、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に減速されていることが分かる。即ちビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【０２５３】
図２６は、９組の断面円弧状の偏向電極３２ａ1 〜３２ａ9 、３２ｂ1 〜３２ｂ9 を有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー４０ｋｅＶから２００ｋｅＶへと加速する場合の例である。内外の偏向電極の前記半径ｒa 、ｒb は、それぞれ一定である。即ち、内外の偏向電極間の間隔は、静電偏向器３０の入口から出口に至るまで一定である。
【０２５４】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ1 ：１２９．２ｋＶ、    ３２ｂ1 ：１６２．６ｋＶ
３２ａ2 ：１０３．５ｋＶ、    ３２ｂ2 ：１４９．０ｋＶ
３２ａ3 ：７７．８ｋＶ、      ３２ｂ3 ：１３５．４ｋＶ
３２ａ4 ：５２．１ｋＶ、      ３２ｂ4 ：１２１．８ｋＶ
３２ａ5 ：２６．４ｋＶ、      ３２ｂ5 ：１０８．２ｋＶ
３２ａ6 ：０．７ｋＶ、        ３２ｂ6 ：９４．６ｋＶ
３２ａ7 ：−２４．９ｋＶ、    ３２ｂ7 ：８１．０ｋＶ
３２ａ8 ：−５０．６ｋＶ、    ３２ｂ8 ：６７．４ｋＶ
３２ａ9 ：−７６．４ｋＶ、    ３２ｂ9 ：５３．９ｋＶ
【０２５５】
この図２６の例の場合も、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に加速されていることが分かる。即ちビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【０２５６】
上記図２５に示す静電偏向器３０と、図２６に示す静電偏向器３０とは、それを構成する偏向電極の形状を互いに同一にすることができるので、イオンビーム４の減速と加速とに共用することができる。そして、減速と加速とで、電圧の掛け方を変えれば良い。
【０２５７】
図２７は、１組の出口に向かって広がっている偏向電極３２ａ、３２ｂを有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー２０ｋｅＶから５ｋｅＶへと減速する場合の例である。
【０２５８】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ：−１９．２ｋＶ、    ３２ｂ：１．２ｋＶ
【０２５９】
この例のように出口に向かって広がっている１組の偏向電極によっても、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に減速されていることが分かる。即ち、ビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【０２６０】
図２８は、１組の出口に向かって狭くなっている偏向電極３２ａ、３２ｂを有する静電偏向器３０において、イオンビーム４をエネルギー４０ｋｅＶから１１２ｋｅＶへと加速する場合の例である。
【０２６１】
各偏向電極の電圧は次のとおりである。
３２ａ：−３５．８ｋＶ、    ３２ｂ：７６．２ｋＶ
【０２６２】
この例のように出口に向かって狭くなっている１組の偏向電極によっても、イオンビーム４の軌道の乱れが少なく、イオンビーム４が円滑に加速されていることが分かる。即ち、ビーム軌道の揃ったイオンビーム４を静電偏向器３０から取り出すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２６３】
【図１】この発明に係るイオンビーム装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のイオンビーム装置を矢印Ｆ方向に見て部分的に示す正面図であり、イオン源から静電偏向器の出口までを示す。
【図３】図１中の静電偏向器周りの一例を示す斜視図である。
【図４】トーラスの一例を示す斜視図である。
【図５】図１中の走査器と静電偏向器との位置関係を示す図である。
【図６】図１中のビームマスクの一例を示す正面図である。
【図７】静電偏向器の他の例を示す断面図である。
【図８】静電偏向器の更に他の例を示す断面図である。
【図９】静電偏向器の更に他の例を示す斜視図である。
【図１０】図９の静電偏向器に似た静電偏向器の例を示す断面図である。
【図１１】ターゲットに対するイオンビームの第１および第２の注入角を示す斜視図である。
【図１２】図１中の偏向電磁石の一例を磁場４４方向に見て示す図である。
【図１３】図１中の偏向電磁石の他の例を磁場４４方向に見て示す図である。
【図１４】静電偏向器を出たイオンビームの弧状の走査ビーム断面とターゲットの動きの相対関係の一例を示す図である。
【図１５】走査電圧波形の一例を示す図である。
【図１６】注入角φが０度でない場合の、静電偏向器を出たイオンビームとターゲットの動きの相対関係の一例を示す図である。
【図１７】ターゲットに入射するイオンビームの例を示す概略図であり、（Ａ）はＸ軸に平行な平行ビームを示し、（Ｂ）はＸ軸に平行よりも広がった例を示し、（Ｃ）はＸ軸に平行よりも狭まった例を示す。
【図１８】静電偏向器にイオンビームの加減速機能を持たせる場合の一実施形態を示す図である。
【図１９】断面円弧状の偏向電極を有する静電偏向器にイオンビームの加減速機能を持たせる場合の原理を説明するための図である。
【図２０】２組の断面円弧状の偏向電極を有する静電偏向器にイオンビームの加減速機能を持たせる場合の原理を説明するための図である。
【図２１】２組の断面円弧状の偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを減速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２２】４組の出口に向かって広がっている偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを減速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２３】図２２の例における各偏向電極の半径の角度依存性を示す図である。
【図２４】４組の出口に向かって狭くなっている偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを加速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２５】９組の断面円弧状の偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを減速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２６】９組の断面円弧状の偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを加速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２７】１組の出口に向かって広がっている偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを減速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２８】１組の出口に向かって狭くなっている偏向電極を有する静電偏向器においてイオンビームを加速する場合のビーム軌道等のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図２９】抵抗分割法による偏向電源の一例を示す回路図である。
【図３０】多電源法による偏向電源の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０２６４】
２  イオン源
４  イオンビーム
４ａ  所望エネルギーのイオンビーム
６  質量分離電磁石
１２  走査器
１６  走査電源
２２  加減速器
２８  加減速電源
３０  静電偏向器
３２、３２ａ、３２ｂ  偏向電極
３３  相対向面
４０ａ、４０ｂ  偏向電源
４２  偏向電磁石
４６  ビームマスク
５０  ターゲット
５２  ホルダ
５４  走査機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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