(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ギャップを有する磁気イオン・ビーム走査装置であって、前記ギャップに対しイオン・ビームが入射軸に沿って入り、また前記イオン・ビームがそのギャップを通過する間に磁気的に偏向され、前記装置が、前記ギャップの容積中において、選択された表面上で前記イオン・ビームを均一に走査するのに適した時間変動（ａｃ）磁界成分を有する磁界を生成するように構成され、前記装置が、
間に前記ギャップを定める２つの磁極であって、誘導されるあらゆる渦電流を、前記磁極内の局部的経路において限られた値に制限するための電気絶縁材料で形成した、前記の磁極と、
ａｃ電源に接続されかつ前記磁極と関連し、前記ギャップに時間変動（ａｃ）磁界を生成するａｃコイルと、
前記ａｃ電源とは別個のｄｃ電源に接続されたｄｃコイルと、
ヨークと、該ヨーク及び前記２つの磁極にそれぞれ結合する２つのコアとを含む磁気構造であって、中実材料で形成した、前記の磁気構造と、
を備え、
前記ｄｃコイルは、前記磁気構造の前記コアと関連し、前記磁気構造内でかつ前記ギャップ内に静（ｄｃ）磁界を生成し、
前記磁極は、前記ａｃコイルの境界の外側の延在した周辺部分を有していて、前記ａｃコイルの前記境界の内側において前記ａｃコイルにより１つの方向に確立される時間変動磁界が、前記ａｃコイルの前記境界の外側の前記磁極の前記周辺部分を主として通る反対方向に戻り、これにより、前記ｄｃコイルは、前記ａｃコイルにより生成された磁気フラックスに関連する誘起電圧から実質上切り離されて、前記ａｃ電源と前記ｄｃ電源とを独立して作動可能とすること、を特徴とする磁気イオン・ビーム走査装置。
【請求項２】
請求項1記載の装置において、前記ａｃ電源は、三角波形を生成して前記ギャップの前記容積中の前記時間変動（ａｃ）磁界成分の対応する変動を生成するように構成され、前記ｄｃ電源は、前記ギャップ内に単一方向の磁界を維持する大きさの静（ｄｃ）磁界成分を生成するよう動作可能であること、を特徴とする磁気イオン・ビーム走査装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の装置において、２つの前記ａｃコイルを、互いに対し対称的関係でかつ前記ギャップ内に設け、該２つのコイルをａｃ電流が同じ方向に流れるように、前記２つのコイルを前記ａｃ電源に接続したこと、を特徴とする磁気イオン・ビーム走査装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、例えば、元素の原子や分子の重イオン・ビームを走査するイオン注入装置や、静磁界に高い周波数の振動磁界またはパルス状磁界を重畳しなければならない磁気共鳴撮像システムにおいて有用な、重畳する静磁界および時間変動磁界（time-varying magnetic field）を生成するシステムおよび方法に関するものである。
表面をイオン・ビームで均一に照射する必要のある工業的および科学的用途は多数ある。例えば、シリコン・ウエハのような半導体の改質（modification）は多くの場合イオン注入装置で行い、特定の種およびエネルギのイオンまたは分子のビームを、表面に均一に照射する。ウエハまたは基板の物理的なサイズ（例えば、直径約５インチ以上）が照射ビームの断面積（例えば、直径約２インチ以下）より大きいので、必要とする均一な照射を得るには、通常、ウエハ全体にわたってビームを走査するか、ビームを通過するようにウエハを走査するか、あるいはこれらの技法の組み合わせによって行う。
基板上におけるビーム走査速度が高いと、照射の均一性がイオン・ビーム・フラックスの変化に対し一層イミューンとなり、低いドーズ・レベルでウエハのスループット向上が可能となり、ドーズ量の多い用途では、局部的な表面の荷電（charging）、熱パルス発生（thermal pulsing）、およびスパッタリングや照射による損傷のような粒子によって誘発される現象が大幅に減少するという理由により、とりわけ有利である。
機械的な往復運動のみに基づく走査技法では、速度が非常に限定される。アーク上でウエハがビームを通過するように移動させると、走査速度が大幅に上昇するが、ビームの効率的な利用を図るには、回転カルーセル上に多くのウエハまたは基板を同時に装着する必要がある。
よく行われている改造に、時間変動電界を用いてビームをある方向の前後に走査し、ウエハを別の方向に往復運動させるものがある。この混成型注入装置では、ビーム電流したがってウエハを処理可能な速度は、時間変動偏向電界（time-varying electric deflection filed）の領域内で作用する空間電荷力（space-charge force）によって厳しく制限される。これらの力は、ビーム内のイオンを外側に発散させることにより、管理不可能に大きなビーム・エンベロープが発生する。このような空間電荷による制限は、時間変動電界を用いて２方向にビームを走査する注入装置においても生じる。
空間電荷ブローアップ（space-charge blow-up）とは、ビームの横断速度がビーム軸に沿った距離と共に上昇する割合である。これは、質量正規化ビーム・パービアンス（mass normalized beam perveance）に比例する。
0004374400.tif 000002
ここで、Ｉはビーム電流、Ｍはイオン質量、およびＥはイオン・エネルギである。（The physics and Technology of Ion Sources, Ed. Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York 1989）。イオン・ビーム注入装置において見られる典型的なイオン・ビーム構成では、空間電荷効果は、
0004374400.tif 000003
のパービアンスに制限するようになる。したがって、８０ｋｅＶの砒素ビームは、
0004374400.tif 000004
に空間電荷が制限され、一方５ｋｅＶのビームはわずかに
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に空間電荷が制限される。したがって、振動電界によってイオン・ビームを走査することは、エネルギが１０ｋｅＶ程度に低くても、ビーム電流が数ミリアンペアより大きいことが好ましい、効率的な商用イオン注入装置には実施不可能である。
注入装置においてイオン・ビームを走査するための高い周波数の時間変動磁界を生成する走査磁石が、米国特許第５，３１１，０２８号に記載されており、この中では、比較的薄い電気的絶縁材料で分離した、透磁率が高い積層体で形成したヨークを有する走査磁石を用いて、１，０００Ｈｚまでの周波数で、高パービアンスの重イオン・ビームを走査することができる。
多くの磁気共鳴撮像装置では、スピン歳差（spin precession）のための均一静磁界を、中実コア電磁石によって生成するようにしている。電磁石の作用ギャップ内および周囲に配置した所定のコイルを付勢することによって高い周波数の傾斜磁界を静磁界上に重ね合わせる場合、極の表面および／またはシールド外囲器に誘発される渦電流およびスクリーン電流が傾斜磁界を歪ませると共に、付勢傾斜電力増幅器に出力電力の高いものが必要となる。
イオン注入や磁気共鳴撮像以外にも、時間変動磁界を生成し静磁界上に重畳する構造を有することが望ましい状況が他にもある。精度高くしかも低電力で時間変動磁界を生成する際の困難さのため、このような構造の性能は制限されている。
発明の概要
一態様において、本発明は、静的成分および高い周波数の時間変動成分を有する磁界を生成する装置を特徴とし、間にギャップを定める２つの磁極であって、高い周波数によって誘発されるあらゆる渦電流を、前記極内の局部的経路において限られた値に制限するための電気絶縁材料で形成した前記の磁極と、前記磁極と関連し、前記ギャップに時間変動磁界を生成するａｃコイルと、ヨークと各々前記２つの磁極に結合した２つのコアとを含む磁気構造であって、中実材料で形成し、高い磁気飽和レベルを有する前記の磁気構造と、前記磁気構造の前記コアと関連し、前記ギャップ内に静磁界を生成するｄｃコイルと、から成るものである。
前記ａｃコイルおよびｄｃコイル用の各付勢電気回路は独立して動作し、ギャップ内の時間変動磁界成分および静磁界成分を独立して制御する。磁束の静的成分は、極キャップ、中実コア、および中実戻りヨークの横断面全体を通過し、磁気リラクタンスは、在来のｄｃ電磁石におけると同様、非常に小さい。一方、ギャップの中央領域内の磁束のフーリエ振動成分は、コイルの内側領域を通過し、積層状またはフェライトの極キャップおよびコイル境界外側のギャップ領域で形成する低リラクタンス経路を通じて戻ることにより、主として、ａｃコイルとリンクする。本発明の重要な態様は、中実コアおよび戻りヨークの使用であり、これらによって振動磁束成分に対する磁気リラクタンスが高くなり、コアおよびヨークの外表面上の表皮厚層のみにこれらを閉じこめる。全振動磁束の小さな割合部分のみがコアを通過し、ｄｃ付勢コイルに小さな電圧のみを誘発し、単純なｄｃ電源によってこれらのコイルを励起可能とし、振動磁束結合が高い場合に発生し得る誘導電圧を克服するのに十分な周波数応答／電圧能力を有する電源は、用いなくて済む。
別の態様では、上述の本発明の装置は、時間変動振動電流によって前記ａｃコイルを付勢して、実質的に高次の高調波を伴う２０Ｈｚのオーダーまたはそれ以上の基本周波数で、時間と共に方向が交替する磁界を前記ギャップ内に生成するａｃ電流源を含む。
実施例は、１つ以上の以下の特徴を含む。
実施例によっては、前記極は、電気絶縁層によって分離した複数の高透磁率材料の積層体で形成することが好ましく、前記積層体は、前記生成した磁界の高い周波数の時間変動成分に、リラクタンスの低い透磁性経路を与える。実施例によっては、前記極は、電気絶縁材料によって分離した異なった組の高透磁率材料の積層体から成るものとすることが好ましく、前記異なった組は互いに交差状に配置し、前記組の内の１つの組における任意の所与の積層体を通過する磁束が、前記組の内の別の組における多数の積層体内に分配するようにする。前記積層体の各々は、好ましくは、約０．２ないし１ミリメートルの範囲の厚さを有する。前記絶縁層は、前記積層体よりも実質的に薄いことが好ましい。前記積層体は鉄合金の積層体であることが好ましい。前記ヨークおよびコアは中実の鉄で形成することが好ましい。
他の実施例では、前記極をフェライト材料で形成する。例えば、シリコンで形成したライナを設けて、フェライト材料をイオン・ビームからシールドすることが好ましい。
イオン・ビームを走査するための好適実施例には、イオン・ビームを前記ギャップに導入するイオン・ビーム源を備えることが好ましいものもある。好ましくは、エンド・ステーションを配置し、前記走査イオン・ビームを受けるために選択した表面を有する半導体基板を、前記走査イオン・ビームの経路内に位置付けるようにする。一実施例では、真空ハウジングが前記イオン源から前記磁気システム周囲を通り前記エンド・ステーションまで達し、これによって、前記ビームが前記イオン源から前記エンド・ステーションまで真空下で進行する際に、前記ビームを直接前記極に露出させるようにする。好ましくは、速度分離器を前記イオン・ビームの経路内に配置し、前記イオン・ビームが前記選択した表面を照射する前に、前記イオン・ビームから単一荷電イオンを除去することにより、前記ビームに残っている多重荷電イオンから、一層高い最終イオン・エネルギを得ることができるようにする。前記積層状極をイオン・ビームからシールドするライナを備えることが好ましい。一実施例では、前記イオン・ビームは、第１ビーム経路に沿って前記ギャップに入り、前記ビームが前記ギャップを通過し、そして前記走査磁界の影響の結果として前記第１ビーム経路の一方側に偏向された後に、前記イオン・ビームを受けるように、ｄｃ扇形磁石を位置付ける。
別の態様では、本発明は、選択した表面上においてイオン・ビームを走査する方法を特徴とし、前述の装置に対応する走査磁石を用意するステップと、第１ビーム経路に沿って、前記ギャップにイオン・ビームを通すステップと、前記ａｃコイルおよびｄｃコイルにおいて付勢波形を発生し、前記ギャップ内に時間の関数として大きさが変動する実質的に単極の走査磁界を生成し、前記選択した表面上における前記イオン・ビームの走査を行うステップと、から成るものである。
好適実施例の中には、前記ビームが前記ギャップを通過し、前記第１ビーム経路の一方側に偏向した後に、前記第１ビーム経路から離れるように前記イオン・ビームを更に偏向し、前記ビームが前記第１ビーム経路の方向に対してかなりの角度で進行するようにし、前記ビームが前記選択した表面を照射する前に、前記ビーム内に存在し得る中性粒子のかなりの割合部分を、前記ビームから除去するものもある。
イオン走査の用途に関して、本発明は、磁気イオン・ビーム走査において発生し得るものでありそしてこれまで観察したことがある予期せぬプラズマ状態にも対処するものである。その効果は、イオン・ビームを走査するために用いる走査磁界がゼロを通過する際またはゼロに近づく際に、ビーム放出における突然の変化として現れる（即ち、イオン角度対位置のグラフ上に表示した場合に、イオン全てによって占有される区域）。本発明は、必要な電力の削減を図り、重畳式の静磁界および時間変動磁界を生成する技法を提供する。一実施例では、本発明は、イオン注入装置で達成可能な放射均一性、精度、および再現性の向上を可能にする。時間変動走査磁界と関連する誘導電界が、走査磁界の大きさの相対的な変化にしたがって、イオン・ビーム内の中性化電子を誘導的に加速または減速する。走査磁界の大きさが小さくなるに連れて、ビーム内の中性化電子は、ビームの横断面に相当する面積またはそれよりも大きい面積に拡大する。これに対して、走査磁界の大きさが例えば約５０ガウス以上に増大すると、中性化電子は、典型的にビームの横断面積よりも狭い面積に圧縮される。本発明者は、上述の誘導電界の結果発生する電子密度の急激な再分配によってプラズマ効果が生じ、この効果によりイオン・ビームの放出が観察したように変動する、と確信する。本発明は、ギャップ内の磁界の大きさを十分なレベルに維持することにより、選択した表面上でイオン・ビームを走査している間に、イオン・ビームの横方向横断面のサイズが変動するのを防止する磁気回路を提供する。したがって、ここに記述する新規な磁気システムは、ビーム・サイズの変化または変動を大幅に減少し、高速、高精度、および向上した再現性で、走査の繰り返しを可能とするように、イオン・ビームを均一に走査することができる。
別の態様では、本発明は、静的成分および高い周波数の時間変動成分を有する磁界を生成する装置を特徴とし、間にギャップを定める２つの磁極であって、該極は、電気絶縁材料によって分離した異なった組の高透磁率材料の積層体から成り、前記異なった組は互いに交差状に配置し、前記異なった組の内の１つの組における任意の所与の積層体を通過する磁束が、前記組の内の別の１つの組における多数の積層体内に分配するようにした前記の極と、前記磁極と関連し前記ギャップに時間変動磁界を生成するａｃコイルと、ヨークと各々前記２つの磁極に結合した２つのコアとを含む磁気構造であって、中実材料で形成し、高い磁気飽和レベルを有する前記の磁気構造と、前記磁気構造の前記コアと関連し前記ギャップ内に静磁界を生成するｄｃコイルと、から成るものである。
更に別の態様では、本発明は、静的成分および高い周波数の時間変動成分を有する磁界を生成する装置を特徴とし、間にギャップを定める２つの磁極であって、高透磁率フェライト材料で構成した前記の極と、一対の導電体であって、各々前記ギャップの対向側に位置付けてあり、前記導電体は、前記ギャップの領域の実質的部分にわたって傾斜磁界を生成するように構成しかつ配置した前記導電体と、前記磁極と関連し、前記ギャップに時間変動磁界を生成するａｃコイルと、ヨークと各々前記２つの磁極に結合した２つのコアとを含む磁気構造であって、中実材料で形成し、高い磁気飽和レベルを有する前記の磁気構造と、前記磁気構造の前記コアと関連し、前記ギャップ内に静磁界を生成するｄｃコイルと、から成るものである。
実施例は、１つ以上の以下の特徴を含むことができる。好ましくは、１対の導電体を含み、各導体を前記ギャップの対向側に位置付け、これらの導体が前記ギャップの領域の実質的部分にわたって傾斜磁界を生成するように構成しかつ配置する。また、好ましくは、第２の導電体対も含み、これら第２の導電体対の各々は、前記ギャップの対向側に位置付けてあり、前記第２対の導電体は、前記ギャップの領域の実質的部分にわたって第２傾斜磁界を生成するように構成しかつ配置してあり、前記第１傾斜磁界は前記第２傾斜磁界と交差する。好ましくは、前記第１の導体対の前記導体は、前記極面に平行な平面内の第１方向に延び、前記第２の導電体対の前記導体は、前記第２の導体対に平行な平面内において前記第１方向に対して直交する方向に延びる。
実施例は、１つ以上の以下の利点を含むことができる。本発明のイオン・ビーム磁気スキャナは、スキャナ内の磁界が小さくなり過ぎるのを防止することにより、走査の間の大幅なビーム・サイズの変化や変動、およびこれに伴うターゲット上の照射ドーズの不均一性を生じないようにする。したがって、イオン・ビームは、ターゲットにおける時間についての書き込み速度および位置の高い精度および再現性で、繰り返し走査することが可能である。本発明は、低電力損失および低ａｃ無効電力で、磁界の生成を可能とし、電源および電力増幅器のコスト削減を図る。本発明の磁気構造には、空間電荷ブロー・アップの原因となる、ビームに露出する大きな絶縁表面はない。更に、本発明は高真空における動作も可能にする。本発明の磁気構造は、イオン注入装置またはあらゆる走査イオン・ビーム・システムへの内蔵が容易であり、しかも実用的である。また、本発明は、磁気共鳴撮像技法のあるものにおいては、その改善を可能にする。
他の特徴および利点は、以下の説明および請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、重畳する静磁界および時間変動磁界を生成する磁気システムの概略透視図である。
第２図は、第１図の磁気システムをｘｙ面から見た概略横断面図である。
第３図は、第１図の磁気システムをｚｘ面から見た概略横断面図である。
第４図は、三角形状波形について、ａｃコイルを通過する電流の変動を時間と共に概略的に示す。
第５図は、交差状積層体を有する極の概略透視図である。
第６図は、重畳静磁界がある場合に走査したイオン・ビームの概略図である。
第７図は、輪郭規定したａｃコイルの概略横断面図である。
第８図は、磁石の極表面上に配置したシリコン・ライナの透視図である。
第９図は、ウエハ表面における酸素イオン・ビーム電流の変動を、スキャナの磁界の大きさの関数として表したグラフである。
第１０図は、電子のジャイロ半径を、磁界強度および電子エネルギの関数として表したグラフである。
第１１図は、振動磁界を時間の関数として表し、誘導静電界が電子を加速または減速する期間を示すグラフである。
第１２図は、時間と共に磁界の振幅が減少するに連れて、誘導性減速が、どのように、イオン・ビーム内の電子の軌道を外側に向かって渦巻き状に進ませるのかを示す概略図である。
第１２Ａ図は、時間と共に磁界の振幅が増大するに連れて、誘導性加速が、どのように、イオン・ビーム内の電子の軌道を、内側に向かって渦巻き状に進ませるのかを示す概略図である。
第１３図は、シリコン・ウエハの表面全体にイオン・ビームを磁気的に走査するイオン・ビーム・システムの概略横断面図である。
第１３Ａ図は、第１３図のイオン・ビーム・システムの速度分離器の概略透視図である。
第１３Ｂ図は、走査するイオン・ビームをウエハ表面に向かわせる、第１３図のイオン・ビーム・システムのコリメータ磁石の概略透視図である。
第１４図は、シリコン・ウエハの表面全体にイオン・ビームを磁気的に走査するイオン・ビーム・システムの概略横断面図である。
第１５図は、磁気共鳴撮像システムにおいて用いるための、ａｃ傾斜コイルを含む磁気システムの概略透視図である。
好適実施例の説明
第１図、第２図、および第３図を参照すると、作用ギャップ１１内に重畳する静（ｄｃ）磁界２３および振動（ａｃ）時間変動磁界３０を生成する磁気システム１０は、中実で透磁率が高い鉄で構成した戻りヨーク（return yoke）１２およびコア１４，１５、ならびに電気絶縁材料の非常に薄い層を挟み込んだ、薄く透磁率が高い鉄の積層体で構成された極片１６，１８を含む。この磁気構造は、第１図に規定した作用ギャップの中央面（即ち、ｙｚ面）に対して対称である。積層面はｘｙ面に平行であり、作用ギャップに面する極の表面１９，２０は、ｙｚ面にほぼ平行である。極１６，１８、隣接するコア１４，１５、および隣接するヨーク１２は、鉄製コアの周囲に配置してある１対のｄｃコイル２８，２９にｄｃ電流２５を通すことによって生成するｄｃ磁界２３に、低リラクタンスの戻りフラックス経路２４を与える。極片１６，１８は、上述の積層構造を具体化するものであり、渦電流を減少させると共に、ａｃ磁界の振動フーリエ成分に、低リラクタンス・フラックス戻り経路２１を与える。ａｃ磁界は、作用ギャップ１１の内側に配置してある１対のａｃコイル３２，３３に、ａｃ電流３１を通すことによって生成する。ａｃ磁界のフラックスは、ａｃコイルの境界内側においては一方向に、ａｃコイルの境界外側の周辺領域においてその逆方向に確立される。
第１図を参照すると、１対のａｃコイルおよび１対のｄｃコイルは、それぞれａｃ電源１３およびｄｃ電源１７による電流を用いて、独立して付勢するようにしている。コア１４，１５および戻りヨーク１２の中実構造は、時間変動磁界に高磁気リラクタンス経路を提供し、振動フラックス成分を、コアおよびヨークの外表面上の表皮厚層（skin-depth layer）のみに閉じ込める。その結果、全振動磁束の内の小さな割合部分のみがコアを通過することにある。この構造を用いると、ｄｃコイルにはａｃカップリングが殆どなく、高い誘導ａｃ電圧に耐える必要がないので、ｄｃ電源の資金コスト（capital cost）を減らすことになる。このデカップリングは、更に、ａｃ電源およびｄｃ電源を独立して動作させることを可能にする（作用ギャップ１１内のａｃ磁界振幅およびｄｃ磁界振幅は、独立して選択可能である）。即ち、第１図に示す実施例は、任意の大きさのａｃ磁界を、大きなｄｃ磁界に効率的に重畳することを可能にする。この場合、ａｃ電源の資金コストも減少する。何故なら、電流出力は、ａｃおよびｄｃ磁界の組み合わせによる振幅ではなく、ａｃ磁界の振幅を生成するのに十分であればよいからである。
第１図、第２図、および第３図に示す実施例では、ａｃコイル境界外側の周辺領域内にある極区域は、振動フラックスを戻すのに十分である。振動磁界Ｂoを発生するために必要なａｃコイルのアンペア・ターン（amp-turns）Ｊは、
0004374400.tif 000006
となり、ここで、μ0は真空の透磁率、Ｇは磁石の作用ギャップのｘ寸法、Ａiはａｃコイル境界内側の有効面積、Ａ0はａｃコイル境界外側の周辺領域の戻りフラックスのための有効面積である。Ａ0がＡiに対して増大するに連れて、アンペア・ターンＪは減少し、実際には、Ａ0→∞に対応する最小値よりも２５ないし５０％高ければよい。
0004374400.tif 000007
既に述べた極片１６，１８の積層構造は、時間変動磁界の振動成分に低リラクタンス戻り経路を与えるための効率的かつ実用的な方法であり、作用ギャップ内に均一なａｃ磁界を生成し、しかも電力レベルの低下、および渦電流による抵抗性損失レベルの低下も可能にする。このような構造では、ａｃ磁界の波形の時間的変動は、１キロヘルツ以上までは基本周波数を有し、高次フーリエ高調波の重畳により、第４図に示すもののように、重イオン・ビームを走査するのに適した三角波形を生成することができる。
好適実施例では、各極は、厚さが約０．０２ないし０．１ミリメートルの電気絶縁材料で分離した、厚さが、例えば、０．２および１．０ミリメートルの商業的に入手可能な範囲の積層体である、透磁率が高く薄い強磁性積層体２０で構成する。積層構造のこれ以上の詳細は、H. F. Glavishの米国特許第５，３１１，０２８号、ならびにH. F. GlavishおよびM. A. GuerraのNucl. Instr. &Methods, B74（1933）397に記載されている。これら双方は、この言及により本願に含めるものとする。また、これらの文献は、大きな渦電流を回避するために透磁率が高いフェライト材料を使用することも記載している。
第１図に示す実施例の極１６，１８内の積層体は、ｘｙ面に平行な面内にあり、第１図の特定のａｃコイル構成によって発生するようにした磁界のために、ｘｙ面における低リラクタンス戻り経路を与える。用途によっては、追加のａｃコイル（第１５図）または輪郭規定ａｃコイル（contoured ac coil）（第７図）としてもよい。このような実施例では、極を横切る磁束の効率的な再分配を行うために、作用ギャップ１１の中央対称面（ｙｚ面）に直交する他の面内に、低リラクタンス・フラックス戻り経路があることが好ましい。これを達成するには、第５図に示すような交差積層体で極片を構成する。１組の積層体３５がｘｙ面に平行な面を有し、他方の組３６がｚｘ面に平行な面を有することによって、ｙｚ面に直交するあらゆる面において、低リラクタンス経路に沿ってフラックスを再分配することが可能となる。この特性および交差積層体に関する更なる詳細は、先に引用した文献に記載されている。
イオン・ビーム走査への応用
第４図に示したような三角波形を用いてａｃコイル３２，３３を付勢することにより、第１図に示す磁気システムを用いて、ｚ軸に沿って作用ギャップ１１に入る重イオン・ビーム２２を±ｙ方向に一方側から他方側に走査することができる。
第６図を参照すると、ｄｃ電流を用いてｄｃコイル２８，２９（第１図）を付勢することにより、ｄｃ磁界を重畳してビーム２２を更に偏向させ、ｄｃコイルを付勢するｄｃ電流の極性にしたがって、専ら＋ｙ方向よりも−ｙ方向に、あるいはこの逆に、一方側から他方側にビームを走査する。ｄｃ偏向を重畳した状態でイオン・ビームを走査するための振動磁界を発生するために必要な無効電力は、第７図に示すように、得られたビームの軌道３７の周囲のａｃコイルの輪郭を規定することによって（３８）コイル面積を減らすようにする。このような輪郭規定したコイル形状によって、コイル境界の内側に生成されるフラックスと、コイル境界の外側に得られる、１組の平行な積層体を用いて１つの極によって与えられるフラックス経路との間に、不均一な対応が生じる。したがって、第５図に示したような交差積層極を用いて、振動磁束のための低リラクタンス戻り経路を与える。
好ましくは、イオン・ビーム２２は、典型的に１０-5ミリバールより高い真空において作用ギャップ１１を通過させ、背景の気体分子との相互作用によるイオンの損失や分散を回避するようにする。第１図に示す実施例では、ヨーク本体１２は、イオン・ビーム２２を作用ギャップ１１に通過させるために、気密真空外囲器（gas-tight vacuum envelope）を形成する。積層間の絶縁材料の縁部における無視できる程小さな領域を除いて、ビームに対向する極の面は、電気的に導通しており、接地電位に保持し、ビーム付近に電界を発生するのを回避する。同じ理由のために、コイルの絶縁表面およびコイル間の電気リードは、電気的に接地してあるシールド２６，２７によって、ビームから隠してある。
他の実施例では、真空外囲器は、スキャナ磁石の極面間の作用ギャップ内に配置してある。しかしながら、これは作用ギャップ１１の磁界の体積や電力要件の増大を招き、その上真空壁の材料は、ビーム付近に一定の電位を規定する導電体が好ましくなる。真空外囲器の壁に大きな渦電流を誘発するのを避けるためには、真空壁は、半導体材料、または磁極と同様の積層構造で作ることが好ましい。このような積層体は、強磁性体でないことが好ましい。
上述のように、大きな渦電流を避けるためには、積層体の代わりにフェライト材料を使用するとよい。フェライト材料は電気的絶縁体であるので、フェライト材料で形成した極片およびその他の構造は、例えば、シリコン・シールドを用いて、あるいは渦電流効果を根絶するように構成した導電性ワイヤのメッシュまたは格子を用いて、イオン・ビームからシールドしなければならない。第８図を参照すると、薄いシリコン・ライナ１３１を用いて、イオン・ビーム１３２を極表面１３０からシールドしている。ビーム内のイオンは、イオン・ビーム・システム内の表面に衝突する傾向があり、イオン・システム内に粒子を放出する可能性がある。ライナはシリコンで作ってあるので、ライナから汚染が生じるとしても、少なくとも、例えば、シリコン・ウエハ基板とは適合性があり、照射したウエハから形成する素子の品質を低下させることはない。また、シリコンは導電体であるので、ビームの近隣において一定の電位を維持し、またシリコンの導電率は十分に低くてシリコンを走査磁石に使用することができ、しかも渦電流効果は容認できる程度に小さい。また、シリコン・ライナは折り曲げ磁石（bending magnet）３６にも用いて、スパッタリングによるウエハの汚染を回避することができる。このようなシリコン・ライナは、ここに記述する実施例のいずれにも使用可能であり、積層極をシールドすることにより、誘導渦電流の効果を低減させる。
イオン・ビーム走査の用途では、磁気システム１０（図１）を用いて、観察されたプラズマ効果に対処することができる。これを用いないと、プラズマ効果は、選択した表面上でイオン・ビームを走査している間に、イオン・ビームの横断面のサイズ変動が発生する原因となる。パービアンスが高い重イオン・ビームを磁気的に走査すると、走査磁界がゼロを通過する場合または約５０ないし２００ガウス未満になる場合、スキャナの後に、かなりの変動がビームの横方向サイズに発生することを発見した。これらの変動は、補正せずに放置しておくと、下流側の基板上において照射の均一性を低下させる可能性がある。本発明は、スキャナのａｃコイル２８，２９を付勢し、振動走査磁界に重畳するｄｃ磁界を生成することによって、表面照射の均一性に著しい改善を達成した。その結果得られた重畳磁界は、選択面上でビームを走査している間に、イオン・ビームの横断面のサイズが大きく変動するのを防止するには十分な最小の大きさを有する。
硼素、窒素、酸素、隣、砒素、またはアンチモンの元素から得られるような重イオンは、イオン源（例えば、The Physics and Technology of Ion Sources, Ed. Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York 1989を参照）によって発生し、ビームに形成する。イオン源は、式１に定めたようなパービアンスが非常に高いイオン・ビームを生成し、可調節電圧源を用いて、荷電状態当たり約８０ｋｅＶまでの可調節のエネルギに、イオン・ビームを加速する。イオン・ビームの付勢によって発生する電子は、イオン・ビーム内にトラップする、即ち、閉じ込めるようにする。こうして、イオン・ビームは、外部電界および絶縁表面がない場合には、ほぼ電気的に中性となる。このような状態の下では、イオン・ビームは、反発する空間電荷力の作用によるビームの発散を呈することなく、イオン注入装置内の高真空領域において輸送することができる。
数電子ボルト・エネルギの電子は、典型的に、イオン・ビーム内のイオンの真空システム内の残留気体分子との原子的相互作用によって発生する（例えば、A.J.T. Holmes, Beam Transport of the Physics and Technology of Ion Sources, Ed. Ian G. Brown, John Wiley & Sons, New York 1989を参照）。イオン・ビームの付近では、このような電子は、ビームのイオンに伴う正電荷の小さな割合部分を除いて全てを中性化する際に重要な役割を果たす。場合によっては、中性化電子は、ホット・フィラメント（hot filament）またはプラズマ・ガン（plasma gun）から直接発生するが、これは、通常、典型的なイオン注入装置に見られる磁石および磁界自由領域（field free region）を通過する、典型的な高パービアンスの重イオン・ビームの輸送のためには、必要ではない。イオン注入装置に用いる約１０-6ｔｏｒｒの真空では、１ミリ秒の何分の一か以内で十分な数の電子がビームによって発生し、ビームの電荷中性（charge-neutrality）を維持する。
これまで、有害な時間依存性のある空間電荷効果は、ビームの横断位置が変化する速度に対して電子の発生速度が非常に速いので、イオン注入装置に用いるイオン・ビームの磁気走査にはないと考えられていた。実際には、当業者には、スキャナの磁界は、空間電荷効果に対しては疑似安定と一般的に見なされている。
しかしながら、ギャップ内の磁界の大きさがゼロを通過する際またはゼロに接近する際に、ビーム放出における突然の変化として現れるプラズマ効果を我々は発見した。我々の実験データの一例を第９図に示す。これは、ゼロ磁界付近で、パービアンスが高い１７８ｋｅＶ、１５０Ｈｚの走査酸素ビームの電流に、
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の突然の変動が生じた様子を生き生きと示している。ここに示すデータは、位相範囲φ＝−７０°ないしφ＝６０°において、ｆ＝１５０Ｈｚの走査周波数を用いて得たものであり、ここでφ＝３６０ｆｔである。振動磁界（ガウス単位）は、以下の式にしたがって、位相と共に変動した。
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第９図に示すゼロ磁界付近における変動は、単に１回の走査掃引に対するものであるが、連続的な走査掃引においても、正確にそれ自体を再現する。第９図に示すデータにおける測定ビーム電流は、電流測定装置の前に位置する制限孔のために、走査方向を横断する方向においてビームの位相−空間放出に生ずる変化に感応する。上述の効果を実質的に排除しない場合、あるいは付勢波形の適切な補正によって実質的に補償した場合、１％以上の照射照度非均一性が結果的に生ずる可能性がある。
磁界Ｂの存在の下では、ビームの中性化電子は、ローレンツ力を受け、次の角周波数で、磁界線の周囲を回転する。
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ここで、｜Ｂ｜は磁界の大きさ、ｍは電子の質量、ｅは電子の電荷である。Ｂに垂直な面に発射すると、電子は次の半径の円を描く。
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ここで、ｖtは磁界Ｂの方向を横断する電子速度成分である。この軌道運動に伴うエネルギは、
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となる。
電子ジャイロ周波数の大きさ
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は、磁界の走査周波数（〜１キロヘルツ以下）よりも格段に高いので、電子軌道運動は、ほんの小さな変化が半径ｒに発生するには、電子はＢの周囲に多くの回転（revolution）を行うことになるという意味において、断熱的（adiabatic）である。第１０図を参照する。電子ジャイロ半径を、電子エネルギおよび磁界の関数としてグラフに示す。数十ガウス未満の磁界では、ジャイロ半径は、ビーム寸法に相当し得る点まで拡大する。しかしながら、この現象だけが、イオン・ビーム電流において観察される時間依存性変動に関係するとは思えない。何故なら、かなりの磁界がないと、電子運動は、主に、粒子の電荷に関係した力によって決定されるからである。更に、既に述べたように、ビームの中性化は、変動が発生する時間間隔（〜１ミリ秒）に対して、非常に短い時間に発生する。
先に観察した現象を一層深く考慮するために、古典的な電磁現象を記述するMaxwellの方程式によれば、走査磁界Ｂの時間変化との関連があり、電界Ｅは
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で与えられ、このような電界は、第１１図に示すように、Ｂの振幅が増大中かまたは減少中かにしたがって、電子を誘導的に加速または減速するにちがいないことがわかった。実際、回転当たりの軌道エネルギの変化は、次の式で表される。
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次に、半径が１回の回転の間本質的に一定であるという断熱条件（adiabatic condition）を用いると、式７、８、および９から次の式が得られる。
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これらの式の最初のものは、電子回転エネルギは磁界強度に比例して変化することを示す。２番目の式は、角運動量の保存を表し、電子軌道の区域πｒ2は、磁界強度の振幅および電子エネルギとは逆に変化することを示す。誘導性の電界から発生するこれらの効果は重要である。例えば、電界が５ガウスから５０ガウスに増加すると、電子密度は１／１０に圧縮される。また、電子エネルギは、１０倍に増大し、そして磁界の存在下では、電子はビーム付近の領域に束縛される。磁界の大きさの増加中に発生した新しい電子も、誘導性加速の結果発生する圧縮を受ける。この誘導性加速の期間では、電子の空間的分配は、ビーム内のイオン電荷の系の作用よりはむしろ、磁界の作用によって支配される。磁界が５０ガウスを越えて強くなると、圧縮が引き続き発生するが、電子の旋回半径は既にビームの典型的な横方向寸法よりも実質的に小さいので、その効果はさほど劇的ではない。
磁界の振幅がゼロに向かって減少する場合、電子軌道は、式１０にしたがって拡大する。磁界強度が約５０ガウス未満になった場合、以前に圧縮した電気軌道内の電子は急激に減速し、ビームの横断面相当またはそれ以上の面積に拡大する。新しく発生した電子は既に低いエネルギを有し、誘導性電界によりさほど大きな影響は受けない。加速および減速の期間を第１１図に示す。
時間経過に伴ってスキャナ内で発生する一連の事象を第１２図および第１２Ａ図に概略的に示す。第１２図を参照すると、磁界１２３がゼロに近づくに連れて、誘導性減速のために電子軌道が外方へ渦巻き状に進むエンベロープ１２１を描き、これによって、イオン・ビーム１２４の領域内の電子密度が減少する。磁界がゼロを通過した後は、これは逆方向を有し、電子軌道１２０の回転方向は、第１２Ａ図に示すように逆転する。このときに磁界１２２はその振幅が増大しつつあるので、誘導性加速によって、電子軌道は断熱的に内方に渦巻き状に進むようになり、これによってイオン・ビーム１２４の領域内における電子密度が高くなる。磁界がゼロを通過したことによって発生した電子密度の急速な変化により、イオン・ビームの位相−空間放出において観察される変動に、納得がいく説明ができる。
磁気的に走査したパービアンスが高い正の重イオン・ビームについては、実験的な観察のみを行った。しかしながら、電子は、負イオン・ビームによって非常に高速に生成され、負および正電位のプラズマ期間双方における全体的なビーム中性化現象の一部をなすので、同様の変動が発生し、本発明は、パービアンスが高い負のイオン・ビームの走査にも重要な用途を有することが予期される。
第１３図ないし第１３Ｂ図を参照すると、重イオンを走査する好適なシステムは、第１図の磁気システムを含む。重イオンは、イオン・ビーム４６を生成するイオン源４４から得られる。イオン・ビーム４６は、電子を発生しその中にトラップして、外部電界および絶縁表面がない場合には、ほぼ電気的に中性となる。イオン・ビーム４６は、イオン運動量の電荷に対する比（Ｍｖ／ｑ）にしたがって、真空の下では、扇形磁石４８に向かう弾道浮動（ballistic drift）を受け、分解スリット５０を通過した後は、運動量鈍化（momentum purified）される。尚、式１において既に定義したように、ｖはイオン速度、ｑはイオン電荷、Ｍはイオン質量である。
ここに記述する磁気イオン・ビーム走査システムは、イオン源から二重または三重に荷電されたイオン（例えば、ｐ＋＋またはｐ＋＋＋）を抽出することによって、一層高い最終イオン・エネルギを得る。多重に荷電したイオンを用いる場合、扇型磁石だけでは、必ずしもビームを適切に純化するとは限らない。例えば、単一荷電イオンｐ＋は、以下のように、分子イオンの解離によって形成することができる。
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浮動領域では、イオン源４４と扇形磁石４８との間において、これら単一荷電イオンは、イオン源から直接抽出した二重荷電イオンｐ＋＋の半分の速度を有する。運動量対電荷比（momentum-to-charge ratio）は、このために、２つのタイプのイオンについて同一となり、これらは分解スリットでは扇形磁石によって分離されない。
この問題を克服するために、第１３Ａ図に示すように、速度分離器１００を、扇形磁石と分解スリットとの間に配置する（例えば、C.A. Coombes et al.,Phys. Rev., vol. 112, p. 1303（1958）を参照のこと。この文献は、この言及により本願に含めるものとする）。極片１０６は、ビームを受ける作用ギャップ１０２を定め、そしてｘ方向に磁界を生成する。電極１０４が、ｙ方向に電界を生成する。電界および磁界の強度ＥおよびＢは、それぞれ、以下のように設定する。
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ここで、ｖは選択すべき二重荷電イオンの速度、Ｖはイオン源の抽出電圧、Ｓｗは分解スリット５０の幅、ａは速度分離器の作用ギャップの有効長、そしてｂは速度分離器の出口から分解スリットまでの浮動距離である。式１２は、電界強度が、分解スリットにおいて単一荷電イオン１０８を排除するのに十分であることを保証し、式１３は、二重荷電イオンに作用する磁力および電気力が相殺し、イオン１１０が偏向されることなく分離器を通過できるようにすることを保証する。
分解スリット５０から現れるビーム５３は、第１図ないし第３図の磁気システム１０に対応するスキャナ磁石５４に入る。スキャナ磁石は、第５図に示したような交差積層形極、および第７図に示したような輪郭規定ａｃコイルを有することができる。
第１３Ｂ図に示すように、スキャナ磁石から現れる走査後のビーム９０は、扇形コリメータ磁石８０による平行化を受けるが、これは、入口８４極縁および出口８６極縁を有する作用ギャップ８８において実質的に静的で均一な磁界を生成する。極縁は特別な輪郭を施して、エンド・ステーション６７内のウエハ６５において平行に走査されるビーム６２を形成する。ウエハ６５は、チャック６６上に装着し、走査平面に直交する方向において、ビームを通過するようウエハを機械的に往復運動させる。スキャナのａｃコイル５５に印加する時間変動波形、およびチャックの機械的運動は、ウエハの均一な照射照度を生成するように設定する。スキャナ内のｄｃ磁界は、以前に述べたビーム・サイズの変動を無くするように設定する。扇形コリメータ磁石８０は、走査サイクルの間ビームがウエハに対して異なる時点において取る異なる経路に関して、スキャナ磁石５４と協同する。入口極縁８４および出口極縁８６の輪郭は４次多項式であり、その係数は、走査位置には無関係に、ビームがウエハに衝突している間、以下のイオンの光学的な輸送条件および合焦条件を同時に達成するように選択する。
１．±０．２°以上の精度で、先に述べた平行走査を維持する。
２．ビームの規定した最大角度発散の変動範囲（典型的に約０．５°ないし１．５°）を実質的に±０．５°の制限内に維持する。
３．規定した横方向ビーム・サイズ（典型的に３０ないし５０ｍｍ）を実質的に±５ｍｍの制限内に維持する。
４．ビームの十分な偏向を生成しえ（例えば、少なくとも約３０°、好ましくは約４５°以上）、ビームが扇形コリメータ磁石に入る前に真空システム内の残留気体分子と相互作用するビームのイオンが形成した後の、ウエハに衝突する中性粒子３９の数を減少させる。
一般に、入口極縁および出口極縁が二次曲率（second order curvature）に制限された極縁輪郭を有する従来の扇形磁石は、上述の要件全てを同時に達成することはできない（例えば、Focusing of Charged Particles, vol. II, Ed. A. Septier, Academic Press, New York 1967において発表されたH.A. Enge, ”Deflecting Magnets”を参照）。二次曲率の制限は、コリメータの偏向が約３０°より大きくなった場合、より好ましくは４５°より大きくなった場合、強調する。
扇形コリメータの入口極縁および出口極縁上の四次の輪郭は、そのような大きな角度の偏向の達成を可能とし、その結果、ウエハは中性粒子から良好に分離し、しかも上述のイオンの光学的な輸送および合焦の制約を実現可能とする。本実施例では、扇形コリメータ磁石８０の作用ギャップ８８は、走査したビーム９０を適切に受け取るように配置してある。即ち、作用ギャップ８８は、その焦点面が走査頂点５７と一致するように、方位および位置を決定してある。また、ビームは、専ら真空ポンプ７６によって外囲器７４内に維持した高真空内で、ソース４からウエハ６５に輸送するようにしてある。
その他の実施例も請求の範囲内にある。例えば、別の好適実施例では、第１３図に示すように、走査ビームを通過して往復運動する単一のウエハではなく、第１４図に示すように、数枚のウエハを回転カルーセル６９に装着することができる。この実施例は、イオン・ビーム電流が非常に高い場合に好適である。何故なら、高いビーム・パワーが、注入の間数枚のウエハに分配されるからである。
磁気共鳴撮像への応用
第１５図に示すように、磁気システム１００は、作用ギャップ１０１内のｚ方向の均一な静磁界Ｂに重畳する、時間変動磁界傾斜∂Ｂ／∂ｘ，∂Ｂ／∂ｙ，∂Ｂ／∂ｚを、それぞれ、ｘ，ｙ，ｚ方向に生成する。静磁界はｄｃ電流搬送コイル１０６、および透磁率の高い鉄の交差積層状極１０８，１１０、中実の鉄コア１０４および中実のヨーク戻り部１０２の低リラクタンス経路によって発生する。時間変動磁界傾斜∂Ｂ／∂ｘは、傾斜コイル１１２内の振動電流Ｉ１によって発生し、他の傾斜磁界成分∂Ｂ／∂ｙ，∂Ｂ／∂ｚは、導電性シート１１６および１１８内の振動電流シート（oscillatory current sheet）Ｉ2およびＩ3によって生成する。シート１１６および１１８は、電気絶縁材料によって、互いに電気的に絶縁してある。結果的に得られる磁界Ｂr（ｘ，ｙ，ｚ）の時間依存空間変動は、
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で与えられ、時間と共に変動する空間位置において、所与の周波数のスピン共鳴が得られ、これによって、画像情報を得ることができる。極内の交差状積層体は、磁界の時間変動成分に、低リラクタンス戻り経路を提供し、中実のコアおよびヨークは静磁界に戻り経路を与える。この構造によって、傾斜コイルのための電源は、主静磁界を生成する主ｄｃ電源とは独立して動作させることが可能となる。交差積層極は、対向する極面間の作用ギャップ１０１内に時間変動磁界成分を集中させるには効率的な構造であり、極を積層体ではなく中実の鉄で形成した場合に発生する、渦電流や電力損失に伴う誤差や難題を減少させるものである。
別の実施例では、極片は透磁率の高いフェライト材料で構成する。
更にその他の実施例も、請求の範囲内である。
【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１２Ａ】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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