(57)【要約】  点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を平行化するコンパクトな装置を提供する。点源に対し凹面状を有する軸対称な非球面メッシュ（２）および軸対称な複数の電極（１０〜１４）から成る静電レンズと、静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレート（３）とから構成される。点源（７）から発生した荷電粒子の取り込み角が±３０°以上で、荷電粒子の軌跡が静電レンズにより略平行化されるように、非球面メッシュ（２）の形状とアース電極（１０）と印加電極（１１〜１５）の電位及び配置が調整されている。荷電粒子の軌跡が軸に対して略平行化された後で、荷電粒子が平面コリメータプレート（３）に対して略垂直に入射するように、静電レンズと平面コリメータプレートが共軸に配置されている。
2017010529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点源又は集光点に対し凹面状を有する軸対称または実質的に軸対称な非球面メッシュおよび軸対称または実質的に軸対称な単一乃至は複数の電極から成る静電レンズであって、  前記非球面メッシュは、メッシュ開口部の中心近傍からメッシュ中心の位置までを長軸とする回転楕円体、又は、メッシュ開口部近傍が内側に凸の曲率で拡がる形状の実質的回転楕円体であり、  メッシュに接続されるメッシュ電極の開口部半径と、前記単一乃至は複数の電極の内、前記メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径の比は、１．２以上１．６以下であり、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比は、１．０より大きく２．０以下であり、  点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化することを特徴とする静電レンズ。
【請求項２】
電極数は前記メッシュ電極を除いたものとし、減速比は荷電粒子の発生時の運動エネルギーに対する終端電極での運動エネルギーの比として、下記１）〜５）の何れかを満たすことを特徴とする請求項１に記載の静電レンズ：１）電極数が１で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．６９以上１．８９以下である、２）電極数が２で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．５６以上１．７６以下である、３）電極数が３で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．５２以上１．７２以下である、４）電極数が４で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．４９以上１．６９以下である、５）電極数が５以上で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．３９以上１．５９以下である。
【請求項３】
前記減速比が０．０１以上０．１未満の場合には、  前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．０より大きく１．５未満であることを特徴とする請求項２に記載の静電レンズ。
【請求項４】
前記実質的回転楕円体のメッシュ形状は、  同じ長軸半径と短軸半径の回転楕円体の形状と比べ、長軸からの半径方向のズレが半径距離の５％以下であり、  点源とメッシュ形状表面とを結ぶ軸と長軸との成す角度が４０°より大きい位置に、上記半径方向のズレを角度について一階微分しプロットしたものの変曲点が存在する、  ことを特徴とする請求項１に記載の静電レンズ。
【請求項５】
前記実質的回転楕円体のメッシュ形状は、多項式関数である下記数式で表されるｄmeshにより表されることを特徴とする請求項１又は４に記載の静電レンズ：【数１】
2017010529.tif 000006
（式１中、ｄmeshは点源からメッシュ表面位置までの距離、距離ｄ１は点源から光軸上のメッシュ先端位置までの距離、距離ｄ２は点源からメッシュのエッジ位置までの距離、角度θとθmaxはそれぞれメッシュ表面とメッシュのエッジ位置を決めるための光軸からのズレ角、αは角度θの関数、ｎは関数の次元数で、ｗはパラメータａ１〜ａｎによって決定される。）。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの静電レンズと、前記静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成され、  点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化した後で、荷電粒子が平面コリメータプレートに対して略垂直に入射するように、前記静電レンズと前記平面コリメータプレートが共軸に配置されたことを特徴とする平行ビーム発生装置。
【請求項７】
前記平面コリメータプレートが、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能することを特徴とする請求項６に記載の平行ビーム発生装置。
【請求項８】
平板に微小な光電子増倍管を束ねた平面マイクロチャネルプレートが更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子をアバランシェ電流により増幅することを特徴とする請求項７に記載の平行ビーム発生装置。
【請求項９】
前記平面コリメータプレートは、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：５乃至１：２０である細孔が開口率５０％以上で設けられたことを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載の平行ビーム発生装置。
【請求項１０】
前記電極および前記平面コリメータプレートの電位を掃引する掃引手段が更に設けられたことを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載の平行ビーム発生装置。
【請求項１１】
請求項６〜１０の何れかに記載の平行ビーム発生装置に、蛍光スクリーンとカメラ手段が更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子の角度分布を、前記蛍光スクリーン上で輝点に変換して前記カメラ手段で画像計測することを特徴とする角度分布測定分析装置。
【請求項１２】
グリッドに印加する直流電圧を変化させて、グリッドを通過する荷電粒子による電流の変化をロックイン検出する平面阻止電位グリッドが更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を検出することを特徴とする請求項１１に記載の角度分布測定分析装置。
【請求項１３】
ディレイライン検出器（delay line detector）が更に設けられ、前記コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの個々の荷電粒子の出射角方向と到達時間を、前記ディレイライン検出器で個別に計測して時間分解画像計測することを特徴とする請求項１１に記載の角度分布測定分析装置。
【請求項１４】
請求項１１〜１３の何れかの荷電粒子エネルギーの角度分布測定分析装置が組み込まれた電子分光装置、電子回折装置、光電子分光装置、光電子回折装置、陽電子分光装置、陽電子回折装置、イオン脱離角度分布測定装置、結晶構造分析装置、材料表面分析装置、及び固体物性分析装置の群から選択される装置。
【請求項１５】
請求項６〜１０の何れかの平行ビーム発生装置が、単一エネルギーの大口径平行イオンビーム源として組み込まれたイオンエッチングもしくはイオンスパッタリングを行う精密イオンエッチング装置。
【請求項１６】
請求項１１の角度分布測定分析装置において、前記平面コリメータプレートを負電位、前記蛍光スクリーンを正電位とし、前記平面コリメータプレートで発生する電子を増幅することを特徴とする広立体角Ｘ線検出器。
【請求項１７】
請求項１〜５の何れかの静電レンズと、前記静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成され、  前記平面コリメータプレートに対して略垂直に入射する特定の運動エネルギー荷電粒子の出射後の軌跡が、前記静電レンズにより前記集光点に集光するように、前記静電レンズと前記平面コリメータプレートが共軸に配置されたことを特徴とする平行ビーム収束装置。
【請求項１８】
前記平面コリメータプレートは、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：５乃至１：２０である細孔が開口率５０％以上で設けられたことを特徴とする請求項１７に記載の平行ビーム収束装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８の平行ビーム収束装置が複数配置され、前記平面コリメータプレートが、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能し、前記平面コリメータプレートにより特定方向の荷電粒子流を取り出し、特定のエネルギーの粒子だけを前記静電レンズにより一点に集光させてエネルギー強度を計測する荷電粒子流方位・エネルギー計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、静電レンズとその静電レンズとコリメータを用いた平行ビーム発生装置及び平行ビーム収束装置に関するものであり、具体的には、ＸＰＳ（光電子分光装置）、ＡＥＳ（オージェ電子分光装置）などの電子分光装置やＬＥＥＤ（電子回折）やＰＥＤ（光電子回折）などの電子回折装置やイオン脱離角度分布測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の同心球状の複数枚のグリッドと蛍光スクリーンを組み合わせた阻止電位型エネルギー分析器は、低速電子線回折観察やオージェ電子分光測定に広く用いられている。しかし、同心球状のグリッドを用いていることから荷電粒子を球面へ投影するため、平面のマイクロチャンネルプレートを用いて信号増幅することができないといった問題があった。また、阻止電位型エネルギー分析器は、ハイパスフィルター作用のため、シグナル対バックグラウンド比が悪く、光電子回折などの２次元角度分布測定には不向きであるといった問題もあった。そこで、軸対称の電極を用いて、２次元角度分布を平面に投影する阻止電位型エネルギー分析器が開発されている（特許文献１，２を参照）が、点源から発生した荷電粒子の取り込み角は±１０°と限られたものであった。  また、阻止電位型エネルギー分析器を、光電子回折測定に利用する際に障害となるのが蛍光Ｘ線である。阻止電位ではＸ線が除去できず、荷電粒子の取り込み角を大きくするほど蛍光Ｘ線の量が増え、バックグラウンドとなってしまうといった問題があった。【０００３】  一方で、電子分光装置では、エネルギーアナライザの入射部分に静電レンズが用いられることが多く、この静電レンズは、試料から放出される電子をできるだけ多く取り込み、その電子を減速させてからアナライザに入射させることにより、エネルギー分解能を向上させることができる。電子分光装置に限らず、材料表面分析および固体物性学基礎研究などにおいて、結晶表面から放出される電子による電子分光測定、電子回折、放出イオン角度分布測定などは、どれだけ大きな開き角の荷電粒子を取り込めるかで感度が決まるため、荷電粒子の取り込み角を大きくし、広立体角範囲にわたり測定できる技術が求められている。  また、荷電粒子の取り込み角が±３０°未満であると、光電子回折や光電子ホログラフィーといった原子配列構造解析が困難であるが、取り込み角が±３０°以上の広立体角の測定ができると原子配列構造解析が可能になる。【０００４】  通常の静電レンズでは、球面収差によって、大きな開き角のビームを一点に集束させることが困難であり、取り込み角は±２０°程度が限界であったが、球面メッシュを用いることで感度を上げることが可能であり、取り込み角は±３０°程度まで改善された（特許文献３を参照）。  また、非球面メッシュの負の球面収差補正作用を応用し、複数の電極を用いて最適な電場を作り出すことで、球面メッシュを用いるよりも広い取り込み角を実現できる球面収差補正静電型レンズが知られている（特許文献４を参照）。【０００５】  しかし、図２１に示すように、特許文献４に開示された球面収差補正静電型レンズ１００では、負の球面収差を有する拡大虚像を形成するように配置された、試料プレート１１０に対して凹面形状を有する光軸対称な回転楕円面とした非球面メッシュ１０６と、その像面側に光軸に同軸に配置され、拡大虚像の実像を形成し正の球面収差を生じる収束電場を形成する同心面からなる複数の電極（１０１〜１０５）を備える構成のため、レンズ自体が大掛かりなものとなり、試料プレート１１０から出射口１０７までの距離が大きく（Ｌ＝０．５ｍ程度）、試料プレート１１０および球��収差補正静電型レンズ１００全体を格納する磁場遮蔽超高真空真空槽（図示せず）が大きくなっていた。また、正の球面収差を生じる収束電場によって出射ビームは狭立体角の点源ビームとなり、出射口１０７から出射するため、例えば、エネルギー分析のために蛍光スクリーンに投射する場合は、出射口１０７から放出される電子を阻止電位または偏向電場（図示せず）で分析し、蛍光スクリーン（図示せず）に角度分布を投影する際に、一度、出口スリットに収束させる必要があるため、装置全体のコンパクト化が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ６４９２６４４
【特許文献２】米国特許公報ＵＳ６１９８０９５
【特許文献３】特開平８−１１１１９９号公報
【特許文献４】特許公報第４８０２３４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  上述の如く、通常の静電レンズでは、球面収差によって取り込み角は±２０°程度が限界であったが、球面メッシュを用いることで感度を上げることが可能であり、さらに、非球面メッシュの負の球面収差補正作用を応用したレンズでは、複数の電極を用いて最適な電場を作り出すことで、より広い取り込み角を実現できている。  しかし、非球面メッシュの負の球面収差補正作用を応用し、正の球面収差を生じる収束電場によってビームを集束させるレンズはサイズが大きく、電子分光装置など装置に組み込む際に大きなスペースを必要とするといった不都合がある。【０００８】  かかる状況に鑑みて、本発明は、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を平行化できる静電レンズ並びにコンパクトな平行ビーム発生装置を提供することを目的とする。  また、本発明は、広い立体角の放射ビームを平行化して、光電子回折角度分布の高感度および高エネルギー分解能を実現する装置を提供することを目的とする。  また、本発明は、上記の静電レンズを用いて、特定の運動エネルギーの平行荷電粒子流を一点に集光できるコンパクトな平行ビーム収束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】
【０００９】  上記課題を解決すべく、本発明の静電レンズは、点源又は集光点に対し凹面状を有する軸対称または実質的に軸対称な非球面メッシュおよび軸対称または実質的に軸対称な単一乃至は複数の電極から成る静電レンズであって、下記（ａ）〜（ｄ）の特徴を備える。かかる特徴を備えることにより、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を平行化できる。（ａ）非球面メッシュは、メッシュ開口部の中心近傍からメッシュ中心の位置までを長軸とする回転楕円体、又は、メッシュ開口部近傍が内側に凸の曲率で拡がる形状の実質的回転楕円体である。（ｂ）メッシュに接続されるメッシュ電極の開口部半径と、単一乃至は複数の電極の内、メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径の比は、１．２以上１．６以下である。（ｃ）回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比は、１．０より大きく２．０以下である。（ｄ）点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化する。【００１０】  本発明の静電レンズにおいて、電極数はメッシュ電極を除いたものとし、減速比は荷電粒子の発生時の運動エネルギーに対する終端電極での運動エネルギーの比として、下記１）〜５）の何れかを満たす。１）電極数が１で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．６９以上１．８９以下である。２）電極数が２で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．５６以上１．７６以下である。３）電極数が３で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．５２以上１．７２以下である。４）電極数が４で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．４９以上１．６９以下である。５）電極数が５以上で、減速比が０．１以上０．３以下の場合には、  回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．３９以上１．５９以下である。【００１１】  さらに、本発明の静電レンズは、電極数によらず、上記の減速比が０．０１以上０．１未満の場合には、回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比が１．０より大きく１．５未満であることが好ましい。【００１２】  本発明の静電レンズにおいて、実質的回転楕円体のメッシュ形状は、同じ長軸半径と短軸半径の回転楕円体の形状と比べ、長軸からの半径方向のズレが半径距離の５％以下であり、点源とメッシュ形状表面とを結ぶ軸と長軸との成す角度が４０°より大きい位置に、上記半径方向のズレを角度について一階微分しプロットしたものの変曲点が存在する。【００１３】  さらに、本発明の静電レンズにおいて、実質的回転楕円体のメッシュ形状は、多項式関数である下記の数式１で表されるｄmeshにより表されることが好ましい。ここで、下記数式１中、ｄmeshは点源からメッシュ表面位置までの距離、距離ｄ１は点源から光軸上のメッシュ先端位置までの距離、距離ｄ２は点源からメッシュのエッジ位置までの距離、角度θとθmaxはそれぞれメッシュ表面とメッシュのエッジ位置を決めるための光軸からのズレ角、αは角度θの関��、ｎは関数の次元数で、ｗはパラメータａ１〜ａｎによって決定されるパラメータである。【００１４】
【数１】
2017010529.tif 000003
【００１５】  次に、本発明の平行ビーム発生装置について説明する。  本発明の平行ビーム発生装置は、上述の本発明の静電レンズと、該レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成される。そして、点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化している。そして、荷電粒子の軌跡が軸に対して平行化された後で、荷電粒子が平面コリメータプレートに対して略垂直に入射するように、静電レンズと平面コリメータプレートが共軸に配置されている。【００１６】  上記構成によれば、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を高い平行度で平行化するコンパクトな装置を実現することができる。本発明の平行ビーム発生装置は、小型化が可能であり、装置を取り囲む磁場遮蔽超高真空真空槽も小さくでき、装置コストも抑えることができる。  本発明の静電レンズによって、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を高い平行度で平行化する。平行化された荷電粒子は、平面コリメータプレートに略垂直に入射することにより、さらに平行化の度合いが向上する。【００１７】  ここで、 平面コリメータプレートは、平板に設けられた細いスリットや小さい細孔からビームをとり入れて、平行なビームのみを選別するものである。  本発明の平行ビーム発生装置は、電極に負電位を印加すれば電子の分析を、正電位を印加すれば陽イオンの分析ができる。電極電位は、直流電源１ｋＶに対して５０ｍＶ以下の精度で安定した制御を行う。【００１８】  上記の平面コリメータプレートは、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能することが特徴である。  バンドパスフィルターとして機能することで、蛍光スクリーンを用いてスクリーンに投影される強度分布をそのまま特定のエネルギーの角度分布模様のデータとして取り扱うことができる。バンドパスフィルターの分解能としては、ΔＥ／Ｅ＝０．５〜１％程度である。  平面コリメータプレートが、バンドパスフィルターとして機能するためには、上述の静電レンズによって、特定のエネルギーの荷電粒子の軌跡のみが平行化され、平面コリメータプレートに入射することが必要である。【００１９】  本発明の平行ビーム発生装置において、平板に微小な光電子増倍管を束ねた平面マイクロチャネルプレートが更に設けられ、上述の平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子をアバランシェ電流により増幅することでも良い。  アバランシェ電流により増幅することにより、高感度測定が可能である。【００２０】  本発明の平行ビーム発生装置における平面コリメータプレートは、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：５乃至１：２０である細孔が開口率５０％以上で設けられたことが好ましい。  アスペクト比が大きいほど、平面コリメータプレートから出射するビームの平行度が増すことになる。また、開口率が透過率に影響するため、開口率は大きく方が良い。  例えば、アスペクト比が１：１０で、開口率５０%以上の場合において、コリメータ径５０ｍｍに対して、孔径５０μｍの場合は、角度分解能の上限が、０．１°となる（角度分���能が約０．１°となる）。コリメータの半径２５ｍｍが出射角度５０°に対応し、角度分解能の上限は５０°／（２５ｍｍ／５０μｍ）＝５０°／５００＝０．１°となる。【００２１】  本発明の平行ビーム発生装置において、上記の電極および平面コリメータプレートの電位を掃引する掃引手段が更に設けられたことでも良い。  電極および平面コリメータプレートの電位を掃引することにより、荷電粒子の角度分布のスペクトルを効率的に測定できる。【００２２】  上述の本発明の平行ビーム発生装置において、蛍光スクリーンとカメラ手段が更に設けられ、上述の平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を、蛍光スクリーン上で輝点に変換してカメラ手段で画像計測することでも良い。  特定の運動エネルギーの荷電粒子が蛍光スクリーン上で輝点に変換され、カメラにより２次元分布模様として画像計測できる。また、平面コリメータプレートは、蛍光スクリーンに角度分布を投影する際の出口スリットの役割を担うことになる。小型で簡便な高エネルギー分解能の投影型分析器を実現でき、様々な分析に応用できる。これにより角度分布測定分析装置として用いることができる。  角度分布測定分析装置において、ディレイライン検出器（delay line detector）が更に設けられ、上述の平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの個々の荷電粒子の出射角方向と到達時間を、ディレイライン検出器で個別に計測して時間分解画像計測することでも良い。【００２３】  パルス励起源とそれに同期したディレイライン検出器を設けることで、平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの個々の荷電粒子の出射角方向と到達時間を、ディレイライン検出器で個別に計測して時間分解画像計測することができる。これにより、荷電粒子の出射角度分布の計測と同時に、各粒子が励起後、いつ放出されたかという時間情報が得られるといった利点がある。【００２４】  上述の角度分布測定分析装置において、グリッドに印加する直流電圧を変化させて、グリッドを通過する荷電粒子による電流の変化をロックイン検出する平面阻止電位グリッドが更に設けられ、平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を検出することでも良い。  平面阻止電位グリッドと組み合わせ、ロックイン検出することにより、更に高エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ＝０．０１〜０．１％）の測定が実現できる。平面コリメータプレートによるバンドパスフィルターのエネルギー分解能は相対値となり、１%のエネルギー分解能の場合、１００ｅＶに対して１ｅＶ、１ｋｅＶに対して１０ｅＶの分解能となる。また、ロックイン検出による測定のエネルギー分解能は変調電場で決まる絶対値となり、１００ｍＶの変調電場の場合、１００ｅＶに対して０．１%、１ｋｅＶに対して０．０１%の分解能となる。従来の阻止電場型の装置では、Ｓ／Ｂ比（Signal／Background ratio）が悪いのと平面のマイクロチャンネルプレートによる増幅ができないため、ロックイン検出では、変調電場は１Ｖから１０Ｖを使用する。本発明における平面コリメータプレートによるバンドパス方式では、高Ｓ／Ｂ比、高増幅が可能となるため、変調電場を１００ｍＶまで小さくすることが可能である。��００２５】  上述の角度分布測定分析装置は、上述の本発明の平行ビーム発生装置が、荷電粒子エネルギーの放出角度分布分析装置として組み込まれた電子分光装置、電子回折装置、光電子分光装置、光電子回折装置、陽電子分光装置、陽電子回折装置、イオン脱離角度分布測定装置、結晶構造分析装置、材料表面分析装置、及び固体物性分析装置の何れかである。【００２６】  本発明の精密イオンエッチング装置は、上述の本発明の平行ビーム発生装置が、単一エネルギーの大口径平行イオンビーム源として組み込まれ、イオンエッチングもしくはイオンスパッタリングを行う。  従来、大面積の試料表面をイオンスパッタする際、集束イオンビームを２次元走査するか、或は、非集束させビーム径を大きくしていたが、いずれの場合も、中心から離れた場所ではビームが試料表面に垂直に当らないため、例えば、マスクを用いたパターン加工の際、端部がだれてしまい、高アスペクト比の成型は困難であった。本発明の平行ビーム発生装置では、広立体角範囲でイオンを取り込み、単一の運動エネルギーの大口径平行イオンビームを生成することが可能であり、生成された大口径平行イオンビームによる表面照射によって、マスクを用いたパターン加工の際に、端部がだれることがなく、高アスペクト比の成型ができ、形状の精密制御エッチングを可能とする。【００２７】  本発明の広立体角Ｘ線検出器は、蛍光スクリーンとカメラ手段が設けられた本発明の平行ビーム発生装置において、平面コリメータプレートを負電位、蛍光スクリーンを正電位として、平面コリメータプレートで発生する電子を増幅するものである。  かかる構成によれば、広立体角のＸ線検出器を実現できる。【００２８】  本発明の他の観点によれば平行ビーム収束装置が提供される。平行ビーム収束装置は、上述の本発明の静電レンズと、静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成され、平面コリメータプレートに対して略垂直に入射する特定の運動エネルギー荷電粒子の出射後の軌跡が、静電レンズにより集光点に集光するように、静電レンズと平面コリメータプレートが共軸に配置されている。  上述の本発明の平行ビーム発生装置において、入口と出口を逆にすると、コリメータプレートにより特定の方向の荷電粒子流を取り出して、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズで一点に集光し強度を計測する平行ビーム収束装置として利用することができるのである。【００２９】  本発明の他の観点の平行ビーム収束装置における平面コリメータプレートは、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：５乃至１：２０である細孔が開口率５０％以上で設けられたことでも良い。【００３０】  本発明の荷電粒子流方位・エネルギー計測装置は、上述の本発明の他の観点の平行ビーム収束装置が複数配置され、平面コリメータプレートが、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能し、平面コリメータプレートにより特定方向の荷電粒子流を取り出し、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズにより一点に集光させてエネルギー強度を計測するものである。
【発明の効果】
【００３１】  本発明の平行ビーム発生装置によれば、試料から放出される特定の運動エネルギーの荷電粒子の強度角度分布を立体角±６０°程度まで平面に投影できるといった効果がある。感度は取り込み立体角に比例するので、大幅な感度と機能の向上を図ることができる。すなわち、広い立体角の放射ビームを平行化できるようになり、光電子回折角度分布の高感度・高エネルギー分解能が達成できるといった効果がある。【００３２】  本発明の平行ビーム発生装置によれば、平面コリメータプレートでのエネルギー分解能は、励起ビームを微小にすることで向上でき、例えば、１００μｍ以下の収束ビームを励起ビームとして用いた場合、エネルギー分解能１．０〜０．５％を達成できるという効果がある。  また、本発明の平行ビーム発生装置は、小型化が可能であり、他の分析器に組み込むのが容易であり、例えば、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡)と組み合わせると特定のエネルギーのみ選別する元素選択的な結晶構造観察を実現できる。【００３３】  また、上記の平行ビーム発生装置において、入口と出口を逆にした本発明の平行ビーム収束装置によれば、コリメータプレートにより特定の方向の荷電粒子流を取り出して、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズで一点に集光し強度を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の平行ビーム発生装置の構成図
【図２】点源からの取り込み角と荷電粒子の軌跡の角度の説明図
【図３】電極配置の説明図
【図４】非球面メッシュの形状説明図
【図５】異なるエネルギーの電子の軌跡の説明図（１）
【図６】異なるエネルギーの電子の軌跡の説明図（２）
【図７】平面コリメータプレートの透過率を示す図
【図８】異なる出射位置の電子の軌跡の説明図
【図９】静電レンズにおける電極数の違いについての説明図
【図１０】実施例４の角度分布測定分析器の構成図
【図１１】実施例５の広立体角Ｘ線検出器の構成図
【図１２】実施例７の静電レンズ（電極数１）の荷電粒子の軌跡と平行度
【図１３】実施例７の静電レンズ（電極数２）の荷電粒子の軌跡と平行度
【図１４】実施例７の静電レンズ（電極数３）の荷電粒子の軌跡と平行度
【図１５】実施例７の静電レンズ（電極数４）の荷電粒子の軌跡と平行度
【図１６】実施例７の静電レンズ（電極数５）の荷電粒子の軌跡と平行度（１）
【図１７】実施例７の静電レンズ（電極数５）の荷電粒子の軌跡と平行度（２）
【図１８】実施例８の静電レンズ（電極数２）の荷電粒子の軌跡と平行度
【図１９】実施例８の静電レンズ（電極数２）の非球状メッシュ形状の説明図
【図２０】実施例８の静電レンズ（電極数２）の非球状メッシュ形状の特徴説明図
【図２１】先行技術の球面収差補正静電型レンズの構成図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】  以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例１】
【００３６】  図１は、本発明の平行ビーム発生装置の一実施形態を示している。本発明の平行ビーム発生装置は、点源７に対し凹面状を有する軸対称な非球面メッシュ２および軸対称な５つの電極（１０〜１４）から成る本発明の静電レンズと、この静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレート３と、蛍光スクリーン４と、それらを格納する磁気遮蔽カバー８から構成されている。  試料プレート２０に対して励起ビームを照射すると、照射点となる点源７から一定の開き角をもって、荷電粒子（電子あるいはイオン）が放出される。  本実施例の平行ビーム発生装置では、点源７から発生した荷電粒子の取り込み角は±５８°程度まで、荷電粒子の軌跡が静電レンズにより平行化されるように、非球面メッシュ２のメッシュ形状と５つの電極（１０〜１４）の電位及び配置が調整されている。そして、荷電粒子の軌跡が軸に対して平行化された後で、荷電粒子が平面コリメータプレート３に対して垂直に入射するように、静電レンズと平面コリメータプレート３とが共軸に配置される。【００３７】  励起ビームは、励起ビーム誘導管２１によって試料プレート２０に照射されることで、点源７から発生した荷電粒子との干渉がないようにしている。点源７から発生した荷電粒子の取り込み角は±５８°程度の場合、励起ビーム誘導管２１は、試料プレート２０に対して、励起ビームの入射角が７５°以上になるように配置される。  図１に示すように、蛍光スクリーン４を設けて、平面コリメータプレート３から出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を、蛍光スクリーン４によって輝点に変換し、それをカメラで画像化しエネルギー分布を計測することができる。【００３８】  図２を参照して、点源からの取り込み角と荷電粒子の軌跡の角度について説明する。図２（１）（２）の横軸（Initial angle）は、点源から放出される荷電粒子の取り込み角（立体角）を示しており、図２（１）の縦軸はコリメータ中心からの距離（Ｘｆ）、図２（２）の縦軸（Final angle）は、平面コリメータプレート３に入射する荷電粒子の軌跡の角度を示している。角度は、共に、試料プレートに対して垂直な軸からの角度である。本実施例の平行ビーム発生装置では、平行化できる取り込み角の範囲が０〜±５８°であり、点源から放出される荷電粒子に対して、横軸（Initial angle）が０〜６０°までの荷電粒子の内、平面コリメータプレート３に入射する荷電粒子の軌跡の角度は５８°程度までは０°（すなわち軸と平行）であるが、５８°より大きくなると角度が０°から外れ、平行でないことが示されている。【００３９】  例えば、試料プレート２０として単結晶表面、励起ビームとしてＸ線を用いて、点源７から電子を放出する場合について説明する。本実施例の平行ビーム発生装置では、点源７から放出される電子のエネルギーが１０００ｅＶで、取り込み角の範囲が０〜±５８°までは電子ビームを平行化できる。【００４０】  電極の配置と電位について一例を説明する。それぞれの電極１０〜１５は、同軸のリング状の電極である。静電レンズを構成する５つの電極（１０〜１４）の内、図３に示すように、電極１０は、非球面メッシュ２と接続されており、０Ｖとなるようにアースに繋がれている。これは、試料プレート２０と同電位とするためである。３つの電極１１〜１３は、順番に、点源７から遠ざかるように配置され、かつ、電子ビームの外周の外側に電極の先端部が配置されるように、電極の長さが短くなっている。電極１４は、最も離れた位置に配置され、軸方向に長く延びた形状となっている。また、電極１５は、平面コリメータプレート３に接続されている。【００４１】  エネルギーがｘ ｋｅＶの電子ビームを平行化するケースにおける各々の電極の電位は、電極１０が０Ｖ，電極１１が−５２０ｘＶ，電極１２が−７８０ｘＶ，電極１３が−８８８ｘＶ，電極１４が−９１４．５ｘＶ，電極１５が−９５０ｘＶである。【００４２】  次に、図４を参照して、非球面メッシュの形状について説明する。非球面メッシュ２は、メッシュ開口部の中心付近からメッシュ中心の位置までを長軸とする略回転楕円体（図中のＡ）で、メッシュ開口部付近（図中のＢ）は内側に凸の曲率で広がる形状である。  点源から放出する荷電粒子に対して、相対的に中心軸方向の力が増大するように電場を生成すべく、メッシュの形状は球面ではなく、軸方向に長軸をもつ回転楕円面に近い形状としている。【００４３】  図５，図６を参照して、図１に示す平行ビーム発生装置において、電極の配置および電位が同じで、１０００ｅＶとは異なるエネルギーの電子の軌跡について説明する。  図５は１０３０ｅＶのエネルギーの電子の軌跡であり、図６は９７０ｅＶのエネルギーの電子の軌跡である。  各々の電極の電位は、図１の場合と同じで、電極１０が０Ｖ，電極１１が−５２０Ｖ，電極１２が−７８０Ｖ，電極１３が−８８８Ｖ，電極１４が−９１４．５Ｖ，電極１５が−９５０Ｖである。  図５（１）及び図６（１）に示す電子の軌跡と、図５（３）及び図６（３）に示すグラフからわかるように、電子のエネルギーが大きくなれば、平行よりも拡がるビームになっており、反対に、電子のエネルギーが小さくなれば、平行よりも収束するビームになっている。【００４４】  図７を参照して、平面コリメータプレートの透過率について説明する。図７（１）は、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：５である細孔が設けられた平面コリメータプレートの透過率（点源の場合）を示している。また、図７（２）〜（６）は、それぞれアスペクト比（孔径と孔長の比）１：１０、１：２０、１：３０、１：４０、１：５０である細孔が設けられた平面コリメータプレートの透過率（点源の場合）を示している。特に出射角（極角）が大きくなると特定のエネルギー以外に対する透過率が抑制され、平面コリメータプレートだけで十分なエネルギー分解能を有するバンドパスフィルターの機能が得られることを示している。【００４５】  図８は、図１に示す平行ビーム発生装置において、１０００ｅＶの電子のエネルギー、電極の配置および電位が同じで、試料プレートに励起ビームを照射する範囲を拡げて、電子の出射位置を異なられた場合（点源の位置を０として、±０．５ｍｍ，±１．０ｍｍ）の電子の軌跡を示している。この場合、平面コリメータプレートに入射する電子の回折面は平面でなく曲面となる。軸上の電子ビームの収束角は、±９．７°となり、エネルギーだけでなく位置も選択することがわかる。本実施例の平行ビーム発生装置によれば、１００μｍ以下の収束ビームを励起ビームとして用いた場合、エネルギー分解能１．０〜０．５％を達成できる。逆に弾性散乱成分が主となる電子回折では、ビーム径が大きくても１００μｍ以下の領域の電子回折模様を選択的に計測することができる。
【実施例２】
【００４６】  次に、実施例１の平行ビーム発生装置において、静電レンズの電極数が異なる場合について図９を参照して説明する。  図９（１）〜（５）は、同一形状の非球面メッシュを用いた静電レンズにおいて、入射角７５°の入射光による点源から出射する電子の軌跡を示している。入射角７５°の入射光は、出射電子の通路と干渉しないようにするためである。図９（１）〜（５）は、静電レンズの電極数がそれぞれ異なっている。非球面メッシュに接続されるメッシュ電極はアース電位に固定され、マイナス電位の電極が単一あるいは複数配置されている。すなわち、メッシュ電極以外の電極は、マイナス電位になっている。図９（１）は電極数が１、図９（２）は電極数が２、図９（３）は電極数が３、図９（４）は電極数が５、図９（５）は電極数が６である。なお、図９において、アース電位に固定されているメッシュ電極は電極数から除いている。  シミュレーションの結果、点源からの出射角度６０°付近までを確実に平行化するためには、図９（４）又は図９（５）の５電極以上が必要である。しかしながら、汎用の用途であれば、図９（１）の単一の電極でも略平行化できており、十分に実用化可能であることを確認した。【００４７】  次に、平行ビーム発生装置において、電極数の異なる実施例に応じて非球面メッシュの形状の最適化を行った。  電極数が多くなるにつれ、長軸対短軸の比が小さくなり、球面に近づく。メッシュ開口部付近の内側に凸の曲率で広がる形状を導入することにより、点源からの出射角度６０°付近までを確実に平行化することができる。
【実施例３】
【００４８】  図１に示す平行ビーム発生装置を、単一エネルギーの大口径平行イオンビーム源として組み込んだイオンエッチング装置について説明する。  イオンエッチング（Ion Etching）装置は、半導体微細素子製作、切削工具、部品等のコーティング皮膜除去、微細バリ除去、先端形状加工、金属材料表面に付着した汚れ除去、金属材料表面の活性化を行うものであり、イオンビーム源から出射したイオンビームを、エッチング材料表面の原子と化学反応させ、或は、エッチング材料表面を物理化学的に削り、材料表面の形状をエッチングする。【００４９】  上述の如く、実施例１又は実施例２の平行ビーム発生装置を用いることにより、広立体角範囲でイオンを取り込み、単一の運動エネルギーの大口径平行イオンビームを生成することができる。すなわち、実施例１又は実施例２の平行ビーム発生装置を用いることにより、イオンエッチング装置のイオンビーム源を、単一エネルギーの大口径平行イオンビーム源にすることが可能になる。これにより、イオンビームの中心から離れた場所でも、イオンビームが試料表面に垂直に当たるため、マスクを用いたパターン加工の際にも端部がだれることがなく、高アスペクト比の成型ができ、形状の精密制御エッチングが可能である。また単一エネルギーのイオンを用いるとエッチングの速度を制御することが容易になり、エッチングする薄膜の厚さを制御することも可能となる。
【実施例４】
【００５０】  図１０は角度分布測定分析器の構成図を示している。本実施例の角度分布測定分析器は、実施例１の平行ビーム発生装置において、平面コリメータプレート３と蛍光スクリーン４の間に、阻止電位グリッド３２と平面マイクロチャンネルプレート３１を設け、グリッド３２に印加する直流電圧を変化させて、グリッド３２を通過する荷電粒子による電流の変化をロックイン変調電場３０によってロックイン検出するものである。ロックイン検出することにより、平面コリメータプレート３から出射する特定の運動エネルギー荷電粒子のエネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ）を０．１〜０．０１％に向上することができる。【００５１】  従来の阻止電場型の装置では、Ｓ／Ｂ比（Signal／Background ratio）が悪く、平面のマイクロチャンネルプレートによる増幅が困難であり、ロックイン検出では、変調電場は１Ｖから１０Ｖを使用しているのに対して、図１０は角度分布測定分析器では、平面コリメータプレート３によるバンドパスフィルター機能により、高Ｓ／Ｂ比、高増幅が可能となり、変調電場を１００ｍＶまで小さくすることができる。また、平面のマイクロチャンネルプレートを用いて信号増幅することができる。なお、平面コリメータプレート３によるバンドパスフィルターのエネルギー分解能は相対値であり、１%のエネルギー分解能の場合、１００ｅＶに対して１ｅＶ、１ｋｅＶに対して１０ｅＶの分解能となる。また、ロックイン検出による測定のエネルギー分解能は変調電場で決まる絶対値となるので、１００ｍＶの変調電場の場合、１００ｅＶに対して０．１%、１ｋｅＶに対して０．０１%の分解能となるのである。
【実施例５】
【００５２】  図１１は広立体角Ｘ線検出器の構成図を示している。本実施例の広立体角Ｘ線検出器は、実施例１の平行ビーム発生装置において、平面コリメータプレート３を負電位、蛍光スクリーン４を正電位とし、平面コリメータプレート３で発生する電子を増幅するＸ線検出器について説明する。  Ｘ線や電子線で内殻準位を励起すると、生成された内殻空孔に価電子などが緩和し、その余剰のエネルギーを得てオージェ電子や蛍光Ｘ線が放出される。平均自由行程の短いオージェ電子は試料表面付近から、平均自由行程の長い蛍光Ｘ線は結晶内部からも放出される。Ｘ線吸収分光測定では、Ｘ線の吸収強度に比例してオージェ電子と蛍光Ｘ線が同時に放出されるが、これまで別の検出器を用いてオージェ電子収量法Ｘ線吸収測定と蛍光Ｘ線収量法Ｘ線吸収測定が行われてきた。蛍光Ｘ線は、電場に関わらず直線状に進むので、従来の球面メッシュを用いた阻止電位型電子分析器ではすべて蛍光スクリーンに到達し除去することはできない。【００５３】  上述の実施例４では、平面コリメータプレート３と阻止電位グリッド３２を組み合わせることにより、直線状に進む蛍光Ｘ線の進路を妨げることで、オージェ電子の分析時に蛍光Ｘ線を除去することを可能にする。逆に、本実施例５では、平面コリメータプレート３に負電位を印加してオージェ電子を阻止し、阻止電位グリッド３２と蛍光スクリーン４に正電位を印加することにより、蛍光Ｘ線の信号強度を平面コリメータプレート３で電子に変換することができ、広い立体角のＸ線検出器として用いることを可能にする。  このように、本発明では印加する電場を反転させるだけで同じ検出器でオージェ電子と蛍光Ｘ線を計測することができ、表面と結晶内部の深さに依存したＸ線吸収分光の情報が得られる検出器となるのである。【００５４】  ここで、Ｘ線検出の際には、Ｘ線を平面コリメータプレート３で電子に変換した後に増幅する必要があるため、平面マイクロチャンネルプレート３１を設けて電子を増幅している。一方、Ｘ線除去の際には、逆にＸ線から発生した電子を跳ね返すために必要であり、阻止電位グリッド３２を設けている。なお、図１１の構成では、電極１１〜１４をアースに接続し、電極１５を負電位にしているが、電極１１〜１５の全てを負電位にしても構わない。
【実施例６】
【００５５】  図１に示す平行ビーム発生装置の出入口を逆にして、平面コリメータプレート３により特定の方向の荷電粒子流を取り出して、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズで一点に集光し強度を計測できる平行ビーム収束装置について説明する。  平行ビーム収束装置は、図１に示す構成と同様に、集光点に対し凹面状を有する軸対称な非球面メッシュ２および軸対称な単一乃至は複数の電極から成る静電レンズと、静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレート３とから構成され、平面コリメータプレート３に対して略垂直に入射する特定の運動エネルギー荷電粒子の出射後の軌跡が、静電レンズにより集光点に集光するように、非球面メッシュ２の形状とアース電極１０と印加電極（１１〜１５）の電位及び配置が調整されている。【００５６】  但し、平行ビーム収束装置では、平行ビーム発生装置の場合と比べて出入口が逆になる。また、平行ビーム収束装置では、平行ビーム発生装置の場合と比べて、蛍光スクリーン４及び励起ビーム誘導管２１は不要である。  各電極１０〜１５の電位は、実施例１の場合と同じで、電極１０が０Ｖ（アース電位に固定），電極１１が−５２０Ｖ，電極１２が−７８０Ｖ，電極１３が−８８８Ｖ，電極１４が−９１４．５Ｖ，電極１５が−９５０Ｖである。【００５７】  ここで、平面コリメータプレート３が、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能し、平面コリメータプレートに入射する特定方向の荷電粒子流を取り出す。平面コリメータプレート３は、アスペクト比（孔径と孔長の比）１：１０の細孔が開口率５０％以上設けられている。  非球面メッシュの形状は、メッシュ開口部の中心付近からメッシュ中心の位置までを長軸とする略回転楕円体で、メッシュ開口部付近は内側に凸の曲率で広がる形状である。
【実施例７】
【００５８】  実施例７，８では、静電レンズの実施態様について説明する。  本発明の静電レンズでは、光学系は複数の電極からなり、そのうち少なくとも１つに、物面に対して凹面形状を有する非球面メッシュが設けられる。この非球面メッシュは、点源から出た荷電粒子を広い立体角度にわたって取り込み、取り込んだ荷電粒子の軌道を高い平行度で平行化する。【００５９】  非球面メッシュの形状は、点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化する場合であって、それほど高い平行度を必要としない場合は、メッシュ形状を回転楕円面によって設計することができる。  また、アース電位に固定されたメッシュ電極を除く電極数について、平行化する取り込み角が±５０°程度以下でよい場合や、あまり高い平行度を必要としない場合は、最少で１つでも構わない。  以下では、非球面メッシュの形状を回転楕円面で設計されるもので、電極数が１〜５の静電レンズについて、それらの荷電粒子の軌跡と平行度について説明する。【００６０】  図１２は、電極数１の静電レンズの一例である。非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比（以下、長軸短軸比と略する）は、１．７９である。各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−７７５Ｖである。  図１２（１）は光軸を含む断面図であり、太い実線によって電極および非球面メッシュの内面形状を表している。点線は等電位線、細い実線は荷電粒子の軌道を表している。入射角は５°ステップで−５５°〜５５°まで描いている。  メッシュ電極（Ｇ）には、回転楕円面形状のメッシュが接続されている。回転楕円面の長軸短軸比は１．７９としている。第一電極（ＥＬ１）の終端部は、平面コリメータに対応する。メッシュ電極（Ｇ）と第一電極（ＥＬ１）に印加される電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、それぞれ、０Ｖと−７７５Ｖである。  図１２（２）は、図１２（１）に示した荷電粒子の軌道の終点での角度（光軸からの角度）を、非球面メッシュへの入射角（Initial angle）に対してプロットしたものである。入射角−５５°〜５５°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が０．８°程度まで平行化されることがわかる。【００６１】  平行化のためには、メッシュの形状とともに、電極をどのように配置するかが重要である。特に、メッシュ電極（Ｇ）と第一電極（ＥＬ１）の位置関係が重要になる。計算によると、メッシュ電極（Ｇ）と第一電極（ＥＬ１）の開口部半径をそれぞれＲ１、Ｒ２とすると（図１２（１）参照）、Ｒ２／Ｒ１は、１．２〜１．６程度が好ましい態様である。図１２に示す静電レンズの場合は、Ｒ２／Ｒ１＝１．４２である。後述する図１３〜１８に示す静電レンズは、いずれもＲ２／Ｒ１＝１．４２である。【００６２】  図１３は、電極数２の静電レンズの一例である。非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転楕円体における長軸短軸比は、１．６６である。各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−６８０Ｖ、第二電極（ＥＬ２）が−８２０Ｖである。  図��３（１）に示す電極数２の静電レンズは、図１２（１）における第一電極（ＥＬ１）をメッシュ電極（Ｇ）の側で２つに分割したものである。荷電粒子の軌跡ついて、図１３（１）と図１２（１）とを比較すると、図１２（１）では、平行化の結果、軌道間隔が広角度側でかなり狭くなっているのに対し、図１３（１）では、平行化の結果、軌道間隔がほぼ等間隔の軌道になっていることがわかる。  また、図１３（２）は、図１３（１）に示した軌道の終点での角度（光軸からの角度）を入射角に対してプロットしたものであるが、入射角−５５°〜５５°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が０．６°程度まで平行化されることがわかる。【００６３】  図１４は、電極数３の静電レンズの一例である。非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転楕円体における長軸短軸比は、１．６２である。各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−６２５Ｖ、第二電極（ＥＬ２）−７４５Ｖ、第三電極（ＥＬ３）が−８３２Ｖである。  図１４（１）に示す電極数３の静電レンズは、図１２（１）における第一電極（ＥＬ１）をメッシュ電極（Ｇ）の側で３つに分割したものである。荷電粒子の軌跡ついて、図１４（１）と図１２（１）とを比較すると、図１２（１）では、平行化の結果、軌道間隔が広角度側でかなり狭くなっているのに対し、図１４（１）では、平行化の結果、軌道間隔がほぼ等間隔の軌道になっていることがわかる。  また、図１４（２）は、図１４（１）に示した軌道の終点での角度（光軸からの角度）を入射角に対してプロットしたものであるが、入射角−５５°〜５５°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が０．６°程度まで平行化されることがわかる。【００６４】  このように、電極数２の静電レンズ（図１３）と電極数３の静電レンズ（図１４）の場合では、電極数１の静電レンズ（図１２）の場合と比べて、荷電粒子の軌道の平行度について改善が認められる。  非球面メッシュの形状に注目すると、電極数が増えることによって、適切な非球面メッシュの形状が、長軸短軸比のより小さい回転楕円面に変化する。図１３（１）と図１４（１）の例では、回転楕円面の長軸短軸比は、それぞれ１．６６と１．６２である。一般に、メッシュへの入射が垂直に近いほど透過率は高くなる。したがって、長軸短軸比のより小さいメッシュの方が高い透過率を実現する上で有利である。また、メッシュ電極を高い精度で作製する上でも長軸短軸比は小さい方が望ましい。【００６５】  図１５は、電極数４の静電レンズの一例である。非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転楕円体における長軸短軸比は、１．５９である。各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−６２０Ｖ、第二電極（ＥＬ２）が−７５０Ｖ、第三電極（ＥＬ３）が−８３０Ｖ、第四電極（ＥＬ４）が−８５０Ｖである。  図１５（１）に示す電極数４の静電レンズは、図１４（１）における第三電極（ＥＬ３）を円筒部で２つに分割したものである。【００６６】  図１６は、電極数５の静電レンズの一例である。非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転��円体における長軸短軸比は、１．４９である。各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−５９０Ｖ、第二電極（ＥＬ２）が−７３０Ｖ、第三電極（ＥＬ３）が−８６０Ｖ、第四電極（ＥＬ４）が−８８０Ｖ、第五電極（ＥＬ５）が−９００Ｖである。  図１６（１）に示す電極数５の静電レンズは、図１４（１）における第三電極（ＥＬ３）を円筒部で２つに分割し、さらに終端部を円筒部から分割し、第五電極（ＥＬ５）としたものである。【００６７】  図１７は、図１６と同様、電極数６の静電レンズの一例である。但し、非球面メッシュの形状は、回転楕円体によって設計され、その回転楕円体における長軸短軸比は、１．３７であり、また、各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−５８０Ｖ、第二電極（ＥＬ２）が−７３０Ｖ、第三電極（ＥＬ３）が−８７０Ｖ、第四電極（ＥＬ４）が−９１９Ｖ、第五電極（ＥＬ５）が−９５０Ｖである。【００６８】  図１６と図１７の静電レンズでは、電極数は同じであるが、減速の比率が異なっている。ここで、終端部での運動エネルギー（Ｅｆ）と入射時の運動エネルギー（Ｅｉ）の比 （Ｅｆ／Ｅｉ）を減速比とする。  図１５〜図１７における減速比は、それぞれ、０．１５, ０．１, ０．０５である。低い減速比を達成するには、円筒部は１個の電極ではなく、図１５〜図１７のように複数の電極によって構成されることが好ましい。図１５〜図１７において、回転楕円面の長軸短軸比は、それぞれ、１．５９, １．４９,  １．３７である。減速比が低くなると、適切なメッシュの形状は、長軸短軸比のより小さい回転楕円面になることがわかる。  図１２〜１７において、得られる荷電粒子の軌道の光軸とのなす角度は０．３〜０．８°程度であるが、この平行度は、非球面メッシュ形状を回転楕円面ではなく、適切な多項式関数によって表すことにより大幅に改善できる。これについては、次の実施例８で説明する。
【実施例８】
【００６９】  次に、本発明の静電レンズにおいて、点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±６０°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±１°以下に平行化する場合であって、上述の実施例７で示した静電レンズと比べて、より高い平行度を必要とする場合には、メッシュ形状を回転楕円面によって設計するのではなく、回転楕円面とは異なる形状の非球面メッシュを用いる。  より詳しくは、非球面メッシュ形状は、同じ長軸半径と短軸半径の回転楕円体の形状と比べ、長軸からの半径方向のズレが半径距離の５％以下であり、また、点源とメッシュ形状表面とを結ぶ軸と長軸との成す角度が４０°より大きい位置に、上記半径方向のズレを角度について一階微分しプロットしたものの変曲点が存在する。  具体的には、非球面メッシュ形状は、下記の多項式関数の数式で表されるｄmeshにより表すことができる。【００７０】
【数２】
2017010529.tif 000004
【００７１】  上記の多項式関数の数式において、図１９（１）に示すように、ｄmeshは点源からメッシュ表面位置までの距離、距離ｄ１は点源から光軸上のメッシュ先端位置までの距離、距離ｄ２は点源からメッシュのエッジ位置までの距離である。また、角度θとθmaxはそれぞれメッシュ表面とメッシュのエッジ位置を決めるための光軸からのズレ角を示す。また、αは角度θの関数、ｎは関数の次元数で、ｗはパラメータａ１〜ａｎによって決定されるパラメータである。【００７２】  図１８は、非球面メッシュの形状が上記の多項式関数を用いて設計された静電レンズの一例である。図１８（１）に示すように、本実施例の静電レンズにおける電極の構成は、図１３に示した電極数２の静電レンズと同じであり、各電極の印加電圧は、１ｋｅＶの電子に対して、メッシュ電極（Ｇ）が０Ｖ、第一電極（ＥＬ１）が−７７２Ｖ、第二電極（ＥＬ２）が−７９６Ｖである。  多項式関数の次元ｎは５とし、各パラメータの値は下記表１の通りである。【００７３】
【表１】
2017010529.tif 000005
【００７４】    図１８（２）は、図１８（１）に示した軌道の終点での角度（光軸からの角度）を入射角に対してプロットしたものである。図１３（２）に示した電極数３の静電レンズの場合は、荷電粒子の軌道の光軸とのなす角度は０．５°程度の平行度であるに対して、図１８（２）では、入射角−４５°〜４５°の取り込み角にわたって、荷電粒子の起動と光軸とのなす角度は±０．０１°程度の非常に高い平行度であることがわかる。【００７５】  図１９（２）は、図１８に示した非球面メッシュ形状と図１２に示した非球面メッシュ形状（回転楕円面）の比較である。前者を実線で、後者を点線で表している。両者の形状を光軸からの半径方向の距離ｘで比較した場合、ズレは５％程度以下である。しかしながら、両者の形状には決定的な違いがある。この違いをさらに分かりやすく示すために、xの角度θについての一階微分を各形状に対して計算した結果を図２０に示す。【００７６】  図２０は、本実施例の静電レンズの非球状メッシュ形状の特徴を説明する図である。図２０（１）は、図１２に示した非球面メッシュ形状（図１９の点線）に、図２０（２）は図１８に示した非球面メッシュ形状（図１９の実線）にそれぞれ対応している。図１２に示した非球面メッシュ形状の回転楕円面の場合は、変曲点が存在せず、図２０（１）では単調な減少関数となっている。これに対して、図１８に示した非球面メッシュ形状の場合は、変曲点が存在し、図２０（２）では、θの増加とともに減少した後、増加に転じる関数となっている。図１８に示した非球面メッシュ形状では、変曲点は、θ＝５４°の辺りの位置に存在している。【００７７】  以上から、実施例７，８の静電レンズでは、電極数、取り込み角、減速比の異なる様々な設計において、より適切なメッシュ形状は、回転楕円面からのズレが５％程度以下で、高角度側に変曲点を有する滑らかな曲線であることが確認できた。但し、変曲点の位置や回転楕円面からのズレ量は、電極数、長軸短軸比、或は、多項式関数のパラメータなどの設計によって変化する。実施例７，８の静電レンズにおける設計の要点を纏めると次のとおりである。【００７８】（１）取り込み角が±５０°程度以下でよい場合、または、あまり高い平行度を必要としない場合、具体的には±０．５°程度の平行度でよい場合、非球面メッシュ形状は、回転楕円面とすることができる。（２）非球面メッシュに接続されアース電位に固定されたメッシュ電極の開口部半径Ｒ１と、メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径Ｒ１との比（Ｒ２／Ｒ１）は、１．２以上１．６以下が好ましい。（３）メッシュ電極を除く電極数（以下、同じ）が１で、減速比が０．１以上０．３以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．６９以上１．８９以下が好ましい。（４）電極数が２で、減速比が０．１以上０．３以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．５６以上１．７６以下が好ましい。（５）電極数が３で、減速比が０．１以上０．３以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．５２以上１．７２以下が好ましい。（６）電極数が４で、減速比が０．１以上０．３以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．４９以上１．６９以下が好ましい。（７）電極数が５以上で、減速比が０．１以上��．３以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．３９以上１．５９以下が好ましい。（８）電極数によらず、減速比が０．０１以上０．１未満の場合、回転楕円面の長軸短軸比は１．０より大きく１．５未満が好ましい。（９）より高い平行度、具体的には±０．３°程度以下の平行度が必要な場合、非球面メッシュ形状は、回転楕円面ではなく、回転楕円面からのズレが５％程度以下で、高角度側に変曲点をもつ滑らかな曲線によって設計されることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】  本発明の静電レンズ及びそれを用いた平行ビーム発生装置は、角度分解光電子分光による結晶表面のバンド分散測定やフェルミ面マッピング、深さ方向の組成分析、電子回折、光電子回折による原子構造分析、放出イオン角度分布による吸着分子構造の解析に有用である。  また、本発明の平行ビーム収束装置は、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズにより一点に集光させてエネルギー強度を計測する荷電粒子流方位・エネルギー計測に有用である。
【符号の説明】
【００８０】  １  平行ビーム装置  ２  非球面メッシュ  ３  平面コリメータプレート  ４  蛍光スクリーン  ５  軸  ６  軌跡  ７  点源  ８  磁気遮蔽カバー  １０〜１７  電極  ２０  試料プレート  ２１  励起ビーム誘導管  ３０  ロックイン変調電場  ３１  平面マイクロチャンネルプレート  ３２  阻止電位グリッド
【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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【国際調査報告】
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