(57)【要約】【課題】超音速ビーム中で生成したクラスターを効率良く取り出すことができる超音速ビーム装置を提供する。【解決手段】真空中に超音速でガスを噴射するノズルと、該ノズルの下流に設置されたスキマーと、該ノズルを格納する真空容器と、該スキマーが該ノズルより噴射されたガスから形成した超音速ビーム中の粒子をイオン化してクラスターイオンビームを形成するイオン化部とを有し、該スキマーの設置位置は、該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置または該位置よりも該ノズルに接近している超音速ビーム装置。【選択図】図１
2014086247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中に超音速でガスを噴射するノズルと、
該ノズルの下流に設置されたスキマーと、
該スキマーが該ノズルより噴射されたガスから形成した超音速ビーム中の粒子をイオン化してクラスターイオンビームを形成するイオン化部とを有し、
該スキマーの設置位置は、該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置または該位置よりも該ノズルに接近している超音速ビーム装置。
【請求項２】
前記スキマーの設置位置は、
該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置と、該最大になる位置からガスの平均自由行程だけ該ノズルに接近した位置との間であること、
を特徴とする請求項１に記載の超音速ビーム装置。
【請求項３】
前記スキマーの設置位置は、
該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置と、該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量の二階微分値が０になる位置との間であること、
を特徴とする請求項１に記載の超音速ビーム装置。
【請求項４】
前記のクラスター生成量が最大になる位置は、
前記スキマーが無いときに該ノズルからから噴射されたガスが形成するマッハディスクの位置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項５】
前記スキマーの開口部の直径は、前記マッハディスクの直径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項６】
前記ノズルが噴射するガスの流量を制御するガス流量制御部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項７】
前記ノズルと前記スキマーとの少なくとも一方の設置位置を変化させることで、該ノズルと該スキマーとの間の距離を調整する距離調整機構を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項８】
前記距離調整機構が、該ノズルの設置位置を前記真空容器に対して調整するノズル駆動機構であること、
を特徴とする請求項７に記載の超音速ビーム装置。
【請求項９】
前記距離調整機構が、該スキマーの設置位置を前記真空容器に対して調整するスキマー駆動機構であること、
を特徴とする請求項７に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１０】
前記距離調整機構が、前記ノズルから噴射されるガスの流量が増加したときに、該ノズルから噴射されるガスの流量が増加する前よりも該ノズルと該スキマーとの距離を増大させることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１１】
前記距離調整機構が、前記ノズルから噴射されるガスの流量が減少したときに、該ノズルから噴射されるガスの流量が減少する前より該ノズルと該スキマーとの距離を短縮することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１２】
前記スキマーの位置は、前記マッハディスクが前記ノズルに対して最も接近したときの位置よりも該ノズルに近いことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１３】
前記スキマーの位置は、前記ノズルが噴射するガス流量が最大であるときのマッハディスクの位置よりも該ノズルに近いことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１４】
前記ガス流量制御部が、前記マッハディスクが形成される位置が前記スキマーの位置よりも該ノズルに近くなるよう該ガスの流量を制限することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１５】
前記真空容器に設置された真空計と、
前記ノズルから噴射されるガス圧力を測定する圧力計と、
該真空計から出力された真空データと該圧力計から出力された圧力データを受け取って、該ノズルと該スキマーとの間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置を算出する処理部と、
該ノズルと前記スキマーとの間の距離を測定する距離測定部と、
を有し、
該処理部からの該クラスター生成量が最大になる位置の位置データを受け取った前記距離調整機構は、該スキマーが該クラスター生成量が最大になる位置または所定の位置に近くなるよう、該測定部の出力した距離データに基づき、該ノズルまたは前記スキマーの位置を調整することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１６】
前記真空容器に設置された真空計と、
前記ノズルから噴射されるガス圧力を測定する圧力計と、
該ノズルと該スキマーとの間の距離を測定する距離測定部と、
該距離測定部からの距離データおよび該圧力計から出力された圧力データからクラスター生成量が最大または所定の値になる前記真空容器内の第一の圧力を計算する前記処理部を有し、
前記ガス流量制御部は、該真空容器内の圧力が該第一の圧力を超えないようガス流量を制御することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の超音速ビーム装置。
【請求項１７】
ノズルからガスを真空中に超音速で噴射することで超音速ビームを発生するステップと、
該ノズルと超音速ビームが形成するマッハディスクとの間に配置したスキマーで粒子を含有する超音速ビームを生成するステップと、
該スキマーを通過した超音速ビーム中の粒子をイオン化部でイオン化するステップと、
を有することを特徴とするクラスターイオンビームを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空中にガスを噴射することで超音速の分子またはクラスターイオンビームを生成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラスターイオンビームは、高圧の気体をノズルから真空中に噴射することで超音速ビームを形成し、その際の断熱膨張による冷却でクラスター化した粒子を電子衝撃や光イオン化で得られるイオンビームである。 
【０００３】
固体表面へのクラスターイオン照射はエッチング、スパッタリング、成膜等に表面プロセスに用いられる。さらに、クラスターイオンを高分子に照射すると、フラグメントを抑制しつつ高分子をイオン化できる効果を有することから、表面分析装置への応用も有効である。
【０００４】
クラスターイオンを生成する超音速ビーム装置は、クラスター生成部、イオン化部、ビーム制御部及び照射部を有する。各部は真空ポンプで排気される真空容器を構成する。
【０００５】
クラスター生成部にはノズルが配置されており、ノズルを通してクラスター生成部に噴出されたガスが減圧雰囲気下で自由膨張し、超音速ビームを形成する。
【０００６】
超音速ビーム中ではガスが冷却され、クラスターが生成する。
クラスター生成部において、ノズル下流に配設されたスキマーがクラスターを含む超音速ビームからクラスタービームを形成する。クラスタービームの一部はイオン化部に導かれ、イオン化されることでクラスターイオンビームを生成させる。
【０００７】
クラスターイオンビームは、ビーム制御部で加減速、収束又は発散の制御が行われた後、照射室に配置した加工対象物または試料に照射される（特許文献１）。   
【０００８】
この種のクラスターイオンビームを照射する装置では、エッチングレート向上や成膜速度の高速化が求められる。さらに表面分析においても、感度向上や、測定時間を短縮することが求められる。いずれの要求に応えるためには、クラスターイオンビームの電流量を増やす必要がある。またクラスターのサイズも大きくした方が有利な場合もある。
【０００９】
超音速ビーム中のクラスターの生成量を増やす、あるいはクラスターサイズを増大させるためには、ノズルに導入するガス圧を増加させることが有効であることが知られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６４８６４７８号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Journal of Chemical Physics, 56, 1793 (1972)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記の理由により、ノズルに導入するガス導入圧を増加させると、真空容器内に流入するガス量が増大するため、真空容器内の圧力が増大する。
【００１３】
一方、超音速ビーム中に存在するクラスターの密度は一様ではなく、ガス種やガス導入圧、および真空容器内の圧力等により決定される。したがって、所望のクラスターを得るためにガス導入圧を増大させても、スキマーが超音速ビーム中でクラスター密度が高い位置に設置されず、スキマーが超音速ビームからクラスターを充分取りだすことが困難な場合があった。
【００１４】
また、真空容器内の圧力上昇は残留ガスの平均自由行程を短縮させるため、残留ガスとクラスターイオンとの衝突する頻度が増加する。
【００１５】
残留ガスとの衝突はクラスターイオンの分解を招く。そのため、超音速ビームにより生成したクラスターイオンビームが残留ガスによって加工対象物または試料に照射される前に減衰してしまうという問題が存在した。
【００１６】
かかるように従来の超音速ビーム装置では、クラスターイオンビームの強度を増加させるため真空容器へのガス導入圧力を増大させると、真空容器内に圧力が上昇するため、クラスターイオンビームの利用効率が低下するという課題があった。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑み、超音速ビーム中で生成したクラスターを効率良く取り出すことができる超音速ビーム装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
真空中に超音速でガスを噴射するノズルと、該ノズルの下流に設置されたスキマーと、該ノズルを格納する真空容器と、該スキマーが該ノズルより噴射されたガスから形成した超音速ビーム中の粒子をイオン化してクラスターイオンビームを形成するイオン化部とを有し、該スキマーの設置位置は、該ノズルと該スキマーとの距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置または該位置よりも該ノズルに接近している超音速ビーム装置。
【発明の効果】
【００１９】
超音速ビーム中で生成したクラスターを効率良く取り出すことができる超音速ビーム装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明による超音速ビーム装置、（ｂ）はノズルによる超音速ビーム、（c）はスキマーとノズルの位置、（ｄ）はクラスター収量をあらわす。
【図２】（ａ）はクラスター生成部、（ｂ）は第２の実施形態によるクラスター生成部、（c）は第３の実施形態によるクラスター生成部、（ｄ）はスキマーを稼働させるクラスター生成部をあらわす。
【図３】（ａ）は第５の実施形態によるクラスター生成部、（ｂ）は第６の実施形態によるクラスター生成部をあらわす。
【図４】（ａ）は第２の実施形態による平均自由行程と圧力の関係、（ｂ）は第３の実施形態による平均自由行程と圧力の関係をあらわす。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による超音速ビーム装置によるクラスターイオンビームの照射方法を図１（ａ）に基づき説明する。
超音速ビーム装置は、クラスター生成部２、イオン化部３、及び照射部４を有する。各部は真空容器１を構成し、真空ポンプ５を含む真空排気系および図示されない信号処理系を有する。
【００２２】
クラスター生成部２は、ガス圧計９、ガス導入配管１０、真空容器１内に格納されたノズル１２、およびスキマー１３を有する（図２（ａ））。
【００２３】
ガス導入配管１０はノズル１２に、（Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅ、Ｋｒ）等の希ガスや、（ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＯ２、ＳＦ６、Ｃｌ２、ＮＨ３）等の分子性ガス、（エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール）等のアルコール、および水等を供給する。また水やアルコールには、酸や塩基を混ぜても良い。
【００２４】
ガス導入圧はガス導入配管１０に接続されたガス圧計９で測定される。ガス導入圧は０．１〜２０気圧が好ましいが、０．００１〜０．１気圧でも良く、２０〜１００気圧であっても良い。
【００２５】
図1（ｂ）に示すように、ノズル１２からガスがクラスター生成部２の真空容器内部の真空中に噴射されると、超音速となったガスは衝撃波の一種であるバレル衝撃波１４とマッハディスク１５を発生させる。マッハディスク１５とノズル１２との距離Ｘｍは式１で表わされる。またマッハディスク１５の直径Ｄｍは式２で表わされる。
【数１】
2014086247.tif 000003
【数２】
2014086247.tif 000004
ここで、ｄはノズル１２の直径、Ｐ０はノズル１２へのガス導入圧、Ｐｂはクラスター生成部２の真空容器内の圧力である。
【００２６】
超音速ビーム１６の進行方向に対して動径方向に着目すると、バレル衝撃波１４の外側ではガスは音速以下となるが、バレル衝撃波１４より内側ではガスは音速を超えている。一方、超音速ビームの進行方向に着目すると、ノズル１２とマッハディスク１５の間では、ガスは音速を超えているが、マッハディスク１５を境にしてノズル１２の反対側（つまり下流方向）では、ガスは音速以下となる。
【００２７】
ノズル１２、バレル衝撃波１４およびマッハディスク１５で囲まれた超音速領域では断熱膨張によりガスが冷却され、式３で表わされるようにクラスターを含んだ超音速ビームが生成される。
【数３】
2014086247.tif 000005
ここで、Ｉｃはクラスターの流束、Ｘはノズル１２とスキマー１３との距離、ηｒは超音速領域でのガス密度、ｋはガス種に依存する係数である。σはクラスターとガスとの衝突断面積に相当する物理量であり、ｋが１のときは面積の次元を有する。
【００２８】
ノズル１２からの距離とクラスター流束との関係を図１（ｄ）に示す。第一の部分３４ではクラスター流束は式３の関係でノズル１２から離れるにつれて上昇する。
【００２９】
一方、第二の部分３５では、クラスターがマッハディスク１５に到達する際に、衝撃波により加熱され分解することでクラスター流束は減少する（式４）。したがって、クラスター流束はマッハディスクの上流側で最大となる。
【数４】
2014086247.tif 000006
ここで、Γはクラスター表面からのガス蒸発量、ｐは蒸気圧、ｍはガス分子の質量、 ｋ’はボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００３０】
第一および第二の部分は、式３と式４から計算しても良い。また、例えばノズル１２とスキマー１３との距離を変えた時のクラスターイオン生成量を測定すること等の方法で、図１（ｄ）の関係を実験的に求めても良い。
【００３１】
ノズル１２の下流に設置されたスキマー１３は、図１（ｃ）のように前記超音速ビーム１６中の粒子からクラスタービーム１７を生成する。
【００３２】
ノズル１２とスキマー１３との位置関係は、式５の関係を満たすよう設定される。
【数５】
2014086247.tif 000007
【００３３】
式５が満たされない場合は、スキマー１３がノズル１２に対してマッハディスク１５の下流に位置することになる。かかる場合、生成したクラスター１７が、衝撃波面であるマッハディスク１５を通過するため、衝撃波により加熱されクラスターが分解し、利用可能なクラスターイオンの電流値が低下してしまうことになる。
【００３４】
したがって式５の条件を満たすことにより、図１（ｃ）のようにクラスターがマッハディスク１５を通過する前に、スキマー１３がクラスタービームを形成できるため、衝撃波による加熱分解を抑制し、クラスターを効率良く利用できるという効果を有する。
【００３５】
スキマー１３の設置位置は、ノズル１２とスキマー１３との間の距離に対するクラスター生成量の関係におけるクラスター生成量が最大になる位置または該位置よりもノズル１２に接近した位置とする。
【００３６】
尚、図１（ｄ）の関係から、スキマー１３の位置はＸｍよりもガスの平均自由行程だけ上流にあっても良く、さらにＸｍよりも平均自由行程の１０倍程度上流にあっても良い。平均自由行程程度、あるいはその１０倍程度の距離では、クラスターの分解の影響は比較的小さいからである。
【００３７】
またスキマー１３の位置を、前記第一の部分が曲線になったときに、該曲線をＸについて二階微分した値が０になる位置Ｘ０とＸｍの間としても良い。かかる場合、スキマー１３の位置に対するクラスター収量の変化は緩やかになるという効果を有する。
【００３８】
また、スキマー開口部とノズル１２の中心軸間との距離Ｄが式６の関係を満たすことにより、生成したクラスター１５がバレル衝撃波１４を通過する際の加熱分解を抑制できるという効果を有する。
【数６】
2014086247.tif 000008
【００３９】
クラスタービーム１７はイオン化部３に入射する。イオン化部には、例えば熱フィラメントなどの電子源が配置されている。そして、電子源で発生した電子をクラスタービーム１７に衝突させ、クラスターを構成する一部の原子又は分子を電子衝撃によりイオン化し、クラスターイオンビーム１８を生成させる。
【００４０】
尚、イオン化は電子衝撃の他、レーザー等の電磁波、励起原子・分子や、電離放射線を用いても良い。
【００４１】
その後、クラスターイオンビームは照射部４に入射する。照射部４は質量選別器２０、収束レンズ２１、照射ステージ２２、および分析装置２３を有する。
【００４２】
クラスターイオンは質量選別器２０で適当なサイズを持つものが選別され、収束レンズ２１で加減速およびフォーカスされた後、照射ステージ２２に保持された被照射物２４に照射される。
【００４３】
被照射物２４はクラスターイオンによりスパッタまたはエッチングされる。また、被照射物２４から生じた二次イオンや中性粒子は、必要に応じて分析装置２３で分析される。
【００４４】
分析装置２３として質量分析器を用いれば、クラスターイオンによる二次イオン質量分析が可能となる。分析装置２３にイオン化装置付きの中性粒子検出器を用いれば、クラスターイオンによる中性粒子質量分析が可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態）
本実施形態による超音速ビーム装置のクラスター生成部２０１を図２（ｂ）に示す。
本装置は、クラスター生成部２０１がガス流量制御部１１を有することを除き、前記の超音速ビーム装置と同様である。
【００４６】
本実施形態では、図４（ａ）のようにガス流量制御部１１がノズル１２の供給するガス流量を変動させている。ガス流量制御部１１は真空容器の外に設置しても良い。また、ガス流量制御部１１をクラスター生成部２０１の真空容器中に設置すると、ノズル１２とガス流量制御部１１間の配管の長さを小さく、ガス流量制御の応答速度が早いため有利である。
【００４７】
ガス流量が大きい第一の状態においては、ノズルに印加されるガス圧が高く（Ｐ０Ｈ）、断熱膨張による冷却効果が高いため、クラスターの密度が高くなる。
【００４８】
一方、第一の状態が継続するとクラスター生成部２０１の真空容器内の圧力が上昇するだけでなく、スキマー１３の開口部を通じてガスが流入することでイオン化部３や、ビーム制御部４の圧力も上昇する。
【００４９】
その結果、残留ガスの平均自由行程が短くなり、クラスタービームと残留ガスとの衝突頻度が増すため、クラスタービームが減衰するという問題が生じてしまう。なお、クラスターイオンビームも減衰する。
【００５０】
そこで本実施形態では、ガス流量制御部１１がノズルに印加されるガス圧を低い第二の状態（Ｐ０Ｌ）へ変化させ、ノズルの供給するガス流量を低減させている。ガス生成部の圧力が過度に上昇することを防ぐためである。
【００５１】
クラスター生成部２０１の真空容器内における残留ガスの平均自由行程が所定の値（λＨ）以上になるよう維持することができる。当該所定の値とは、クラスター生成部２０１の真空容器の幾何学的サイズでも良く、例えば、ノズル１２とスキマーとの距離Ｘでも良く、クラスター生成部２０１の真空容器の内径または長さでも良い。尚、イオン化部３や照射部４内での残留ガスの平均自由行程が所定の値以上になるようガス流量を制御しても良い。
【００５２】
尚、平均自由行程は式７で計算できる窒素ガスの値を用いても良い。λの単位は［ｍｍ］、Ｐｂの単位は［Ｐａ］である。
【数７】
2014086247.tif 000009
【００５３】
かかる制御により、クラスターの密度を向上させるとともに、クラスタービームの残留ガスによる減衰を抑制するという効果を有する。
【００５４】
（第３の実施形態）
本実施形態によるクラスター生成部２０２の真空容器を図２（ｃ）に示す。
本装置は、クラスター生成部２０２が、ノズル１２とスキマー１３との間の距離を調整する距離調整機構として、ノズル１２の位置を調整するノズル駆動機構２５を有することを除き、第２の実施形態の超音速ビーム装置と同様である。
【００５５】
本実施形態では、第二の実施形態と同様にガス流量制御部１１がノズル１２の供給するガス流量を変動させている。  
【００５６】
クラスター生成部２０２の真空容器内の圧力は、図４（ｂ）に示すように、ノズルからガスを噴射すると上昇する。すると式１の関係により、マッハディスク１５はノズル１２に近づくことになる。
【００５７】
スキマー１３がノズル１２に対してマッハディスクよりも下流に位置すると、前記のようにクラスターが衝撃波の加熱作用により減衰する問題が生じる。
【００５８】
そこで本実施形態では、予め式１を用いてガス導入圧およびクラスター生成部２０２の真空容器内の圧力の変動範囲からマッハディスク１５の位置の変動範囲をもとめる。そしてマッハディスク１５とノズル１２との間の最小距離よりも、ノズル１２とスキマー１３との距離が小さくなる位置にスキマー１３を設置する。
【００５９】
また、予めノズル１２とスキマー１３との距離を変えた時のクラスターイオン生成量を測定すること等の方法で図１（ｄ）の関係を実験的に求め、マッハディスク１５の位置を求めても良い。クラスターイオン生成量が最大となる位置をマッハディスク１５の位置として扱うこともできる。
【００６０】
また、図２（ｄ）のようにスキマー駆動機構２６を用いてノズル１２に対するスキマー１３の位置を調整しても良い。
【００６１】
ノズル駆動機構２５やスキマー駆動機構２６などのノズル１２に対するスキマー１３の距離を調整する距離調整機構は、ノズル１２から噴射されるガスの流量が増加したときに、ノズル１２から噴射されるガスの流量が増加する前よりもノズル１２とスキマー１３との距離を増大させ、あるいは、ノズル１２から噴射されるガスの流量が減少したときに、ノズル１２から噴射されるガスの流量が減少する前よりもノズル１２とスキマー１３との距離を短縮する。
【００６２】
ガス導入圧は、ガス導入配管１０に接続したガス圧計９で測定しても良い。
【００６３】
クラスター生成部２０２の真空容器内の圧力は、該真空容器に接続した真空計８によって測定してもよい。またガス導入圧とノズル１２のコンダクタンスから求めたガス導入量を真空ポンプの排気速度で除することで求めた計算値をもってクラスター生成部２０２の真空容器内の圧力としても良い。
【００６４】
かかる配置では、ノズル１２の供給するガス流量が変動しても、クラスターがマッハディスク１５を通過する前に、スキマー１３がクラスタービームを形成できるため、衝撃波による加熱分解を抑制し、クラスターを効率良く利用できるという効果を有する。
【００６５】
（第４の実施形態）
本実施形態では、スキマー１３の設置位置をのぞき第３の実施形態と同様である。
【００６６】
ノズル１２からガスを噴射しても、クラスター生成部２０２の真空容器内の圧力が実質的に変動しない場合、あるいは変動が無視できる場合は、ガス導入圧が最小になったときのマッハディスク１５とノズル１２との間の距離よりも、ノズル１２とスキマー１３との距離が小さくなる位置にスキマー１３を設置しても良い。また前記の場合で、ガス導入量が最小になったときでも良い。
【００６７】
本実施形態でも衝撃波による加熱分解を抑制し、クラスターを効率良く利用できるという効果を有するが、スキマー１５の位置決めが容易であるという特長を有する。
【００６８】
（第５の実施形態）
本実施形態による超音速ビーム装置のクラスター生成部２０３を図３（ａ）に示す。
本装置は、ガス圧計９と真空計８に接続された第一の処理部３０、データ記憶部３１、判別制御部３２、判別制御部３２と接続されたガス流量制御部１１をのぞき、第２の実施形態の超音速ビーム装置と同様である。
【００６９】
ノズル１２からガスがクラスター生成部２０３の真空容器中に噴射される際に、ガス圧計９からガス導入圧データが処理部３０に送られる。また真空計８からはクラスター生成部２０３の真空容器内の圧力データが処理部３０に送られる。
【００７０】
処理部３０はガス導入圧データと、予めデータ記憶部３１に記録されていたノズル１２の開口部１６の口径データと、ノズル１２とスキマー１３との距離データから、マッハディスク１５の位置が式（３）の関係を満たすクラスター生成部２０３の真空容器内の設定圧力を求める。設定圧力は１個の値でも、第一の実施形態で述べたように幅を持つものであっても良い。
【００７１】
尚、式１を用いてマッハディスク１５の位置を逐次算出させても良いし、データ記憶部３１にマッハディスク１５の位置とガス圧データ、および真空データの関係を予め記憶させておいても良い。
【００７２】
また、例えばノズル１２とスキマー１３との距離を変えた時のクラスターイオン生成量を測定すること等の方法で、図１（ｄ）の関係を実験的に求め、ガス圧データ、および真空データとともにデータ記憶部３１に記憶させても良い。
【００７３】
クラスター生成部２内の設定圧力のデータは判別制御部３２に送られる。判別制御部３２は真空計８から実際のクラスター生成部２０３の真空容器内の圧力データを受け取り、両者を比較する。
【００７４】
例えば、クラスター生成部２０３の真空容器内の実際の圧力が設定圧力を超える場合は、判別制御部３２がガス流量制御部にガス流量を低減させるよう指令を送信する。
【００７５】
尚、ガス流量の制御は、コンダクタンスを連続的に増減させるものでも良いし、パルス的に制御するものであっても良い。またガス導入圧を変動させても良い。
【００７６】
かかる機能により、ノズル１２とスキマー１３との距離を調整しなくても、式３の関係を満たすことでクラスターを効率良く利用できるという効果を発揮する。
【００７７】
（第６の実施形態）
本実施形態による超音速ビーム装置のクラスター生成部２０４を図３（ｂ）に示す。
本装置は、ガス圧計９と真空計８に接続された処理部３０、データ記憶部３１、処理部３０およびノズル１２の位置検出部３３と接続されたノズル駆動機構２５をのぞき、第２の実施形態の超音速ビーム装置と同様である。
【００７８】
ノズル１２からガスがクラスター生成部２０４の真空容器に噴射される際に、ガス圧計９からガス圧データが処理部３０に送られる。また真空計８からはクラスター生成部２０４の真空容器内の真空データが処理部３０に送られる。
【００７９】
処理部３０は前記２種類のデータと、予めデータ記憶部３１に記録されていたノズル１２の開口部１６の口径データから、マッハディスク１５の位置を求める。
【００８０】
尚、式１を用いてマッハディスク１５の位置Ｘｍを逐次算出させても良いし、データ記憶部３１にマッハディスク１５の位置Ｘｍとガス圧データ、および真空データの関係を予め記憶させておいても良い。
【００８１】
また、ノズル１２とスキマー１３との距離を変えた時のクラスターイオン生成量を測定すること等の方法で、図１（ｄ）の関係を実験的に求め、ガス圧データ、および真空データとともにデータ記憶部３１に記憶させても良い。クラスターイオン生成量が最大となる位置をマッハディスク１５の位置としても扱うこともできる。
【００８２】
マッハディスク位置のデータは処理部３０からノズル駆動機構２５に送られる。ノズル駆動機構２５はマッハディスクの位置データと、ノズル１２の位置検出部３３から受け取ったノズル位置データに基づき、スキマー１３がマッハディスク１５よりもノズル１２に近くなるようノズル１２の位置を調整する。
【００８３】
尚、第１の実施形態と同様に、スキマー１３の位置はＸｍよりもガスの平均自由行程だけ上流にあっても良く、さらにＸｍよりも平均自由行程の１０倍程度上流にあっても良い。さらに、スキマー１３の位置をＸ０とＸｍの間としても良い。
【００８４】
また、ノズル１２の位置を調整する代わりに、図２（ｄ）のようなスキマー駆動機構２６によりスキマー１３の位置を調整しても良い。
【００８５】
かかる機能により、ガス導入圧やクラスター生成部２０４の真空容器内の圧力が変動しても、クラスターを効率良く利用できるという効果を発揮する。
【符号の説明】
【００８６】
１  真空容器
２  クラスター生成部
３  イオン化部
４  照射部
５  真空ポンプ
８  真空計
９  ガス圧計
１０  ガス導入系
１１  ガス流量制御部
１２  ノズル
１３  スキマー
１４  バレル衝撃波
１５  マッハディスク
１６  超音速ビーム
１７  クラスタービーム
１８  クラスターイオンビーム
２０  質量選別器
２１  収束レンズ
２２  照射ステージ
２３  分析装置
２４  被照射物
２５  ノズル駆動機構
２６  スキマー駆動機構
３０  処理部
３１  データ記憶部
３２  判別制御部
３３  ノズル位置検出部
３４  第一の部分
３５  第二の部分
２０１  第２の実施形態のクラスター生成部
２０２  第３の実施形態のクラスター生成部
２０３  第５の実施形態のクラスター生成部
２０４  第６の実施形態のクラスター生成部
２０５  スキマー位置を調整できるクラスター生成部
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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