(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を帯電して加速し放出する高輝度粒子銃において、
粒子を格納するコンテナと、
このコンテナの下部に接続した細管と、
上記細管の下部に接続し、当該細管から供給される粒子を放出すると共に、対向する電極との間に帯電用の電位を印加するカソードと、
このカソード上で上記電極に向いた方向に突起状にして当該突起状の先端部分と上記電極との間の電位勾配を最も高くし、上記供給された粒子を当該最も高い電位勾配である当該突起状の先端部分に導くエミッタと、
このエミッタの先端に対向した部分に穴を空けた電極と、
この電極の穴を通過した帯電した粒子を加速するアノードと
を備えたことを特徴とする高輝度粒子銃。
【請求項２】
上記細管の内部を貫通したシャフトと、
このシャフトに振動を与える振動子とを設け、
この振動子によって上記シャフトを振動させて粒子を所定流量で放出することを特徴とする請求項１記載の高輝度粒子銃。
【請求項３】
上記コンテナおよび細管を振動させる振動子を設け、
この振動子によって上記コンテナおよび細管を振動させて粒子を所定流量で放出することを特徴とする請求項１記載の高輝度粒子銃。
【請求項４】
上記カソードに接続された細管から放出された粒子を、当該カソードに対向する電極との間で複数回、衝突と反射を繰り返し、帯電された粒子を上記最も電位勾配の高いエミッタに導き、当該エミッタの先端から上記電極の穴に向けて帯電した粒子を放出し、更に上記アノードによって加速して外部に帯電した粒子を放出することを特徴とする請求項１ないし請求項３記載のいずれかの高輝度粒子銃。
【請求項５】
上記細管を、上記エミッタの先端、上記電極の穴およびアノードの穴からなる軸上から外れた位置に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４記載のいずれかの高輝度粒子銃。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子を帯電して加速し放出する高輝度粒子銃に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細粉体粒子を任意の位置に配列させ、機能素子を作る粒子線描画装置や任意の部分に照射して微細加工する微細加工装置においては、粒子に帯電させた高輝度（単位面積／単位立体角当たりの粒子の個数）の粒子銃を作成することが望まれる。
【０００３】
従来は、例えば図４に示すように、粒子を点線の矢印で示したように、カソードＫからエクストラクタＥｘに落とし、当該粒子がカソードＫとエクストラクタＥｘとの間で往復運動し、各電極との衝突、反射を繰り返し、その間に運動エネルギーが大きくなり、エクストラクタＥｘの穴からアノードに向けて加速して外部に、帯電した粒子を放出させていた。以下図４の構成および動作を簡単に説明する。
【０００４】
図４は、従来技術の説明図を示す。
図４において、コンテナＣは、微小な粒子を格納するものである。
細管Ｎは、細い管であって、振動子Ｖの上下方向の振動に伴い粒子を重力で下方に搬送するものである。
【０００５】
エミッタＫは、細管Ｎの先端に接続された円板であって、当該細管Ｎの部分に穴を空け、エクストラクタＥｘとの間に帯電用の電圧を印加するものである。
エクストラクタＥｘは、エミッタＫとの間に帯電用の電圧を印加する円板であって、帯電した粒子を外部に引出す軸上に穴を設けた円板である。
【０００６】
アノードＡは、エクストラクタＥｘから放出された粒子を加速して外部に放出するものである。
次に、動作を説明する。
【０００７】
振動子Ｖが粒子を上下方向に振動させ、コンテナＣ中の粒子を重力で細管Ｎの中を下方に搬送し、カソードＫの穴からエクストラクタＥｘに向けて重力で落下させる。落下された粒子は、エクストラクタＥｘとカソードＫとの間で衝突、反射を繰り返して粒子が帯電され、エクストラクタＥｘの穴にきたときにアノードの方に加速されて外部に帯電粒子として放出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した図４の従来の構成では、エクストラクタＥｘに落下した粒子ガカソードＫとの間で衝突、反射を繰り返して帯電されるため、
（１）  衝突・反射の往復回数のバラツキや、衝突条件の表面状況による差異により、粒子銃より発生する粒子の運動エネルギーのバラツキが大きく、色収差が大きくなり、集束したときの集束径が大きくなってしまう問題がある。
【０００９】
（２）  同様に、色収差が大きくなり、クーロン力で結合する機能粒子の作成の際に、所望のクーロン力にもとづく粒子結合体の形状が得られないという問題がある。
【００１０】
（３）  両電極（エクストラクタＥｘとカソードＫ）の片方に開いた穴から粒子を放出するため、線源の大きさが数ｍｍ位と大きく、これを小さくするためにコリメーションが必要となってしまい、粒子量が犠牲となり、結果的に暗い粒子銃となってしまう問題があると共に、描画・加工の効率が極めて低く、長時間を要してしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、これらの問題を解決するため、粒子に振動エネルギーを与えて供給し、カソードＫに突出したエミッタを設けて電位勾配を最も高くして供給された粒子をこのエミッタ先端に導く間に充分に帯電させ、対向する電極に飛翔させてその電極穴から粒子を外部に放出し、電位勾配の最も高いエミッタ先端に粒子を移動させる間に充分に帯電させた後に当該エミッタ先端の非常に狭い領域から高輝度の粒子を放出する粒子銃を実現することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１を参照して課題を解決するための手段を説明する。
図１において、コンテナＣは、粒子を収納する容器である。
【００１３】
振動子Ｖは、シャフトＳを振動させて粒子を搬送するものである。
シャフトＳは、振動子Ｖによって振動されてコンテナＣ内の粒子を搬送するものである。
【００１４】
細管Ｎは、内部にシャフトＳを通して振動させて粒子を搬送するための細管である。
カソードＫは、エクストラクタＥｘとの間にエクストラクタ電圧を印加して粒子に帯電させるためのものであって、最大の電位勾配を持たせた突起を持つエミッタＥを設けたものである。
【００１５】
エミッタＥは、カソードＫと同電位であって、突起を持ち、最大の電位勾配を持つものであって、帯電された粒子を導いてエクストラクタＥｘの穴に向けて放出するものである。
【００１６】
エクストラクタＥｘは、カソードＫとの間にエクストラクタ電圧を印加して粒子を帯電させるためのものである。
アノードＡは、帯電した粒子をエミッタアノード間の電位差によって加速して外部に放出するものである。
【００１７】
次に、動作を説明する。
コンテナＣに格納された粒子は振動子ＶによってシャフトＳが振動されると、当該シャフトＳが細管Ｎ内で振動して粒子をカソードＫの穴の部分から放出する。放出された粒子は、カソードＫとエクストラクタＥｘとの間に印加されているエクストラクタ電圧ＶＥによって帯電され、カソードＫ上の最大の電位勾配を持つエミッタＥの先端に導き、当該エミッタＥの先端からエクストラクタＥｘの穴に向けて放出された帯電した粒子が、更にアノードＡに印加された電圧によって加速され、外部に放出される。
【００１８】
この際、カソードＫに接続された細管Ｎから放出された粒子を、当該カソードＫに対向する電極であるエクストラクタＥｘとの間で複数回、衝突と反射を繰り返し、帯電された粒子を最も電位勾配の高いエミッタＥに導き、当該エミッタＥの先端からエクストラクタＥｘの穴に向けて帯電した粒子を放出し、更にアノードＡによって加速して外部に帯電した粒子を放出するようにしている。
【００１９】
また、細管Ｎを、エミッタＥの先端、エクストラクタＥｘの穴およびアノードＡの穴からなる軸上から外れた位置に設けるようにしている。
従って、粒子に振動エネルギーを与えて供給し、カソードＫに突出したエミッタＥを設けて電位勾配を最も高くして供給された粒子をこのエミッタＥの先端に導く間に充分に帯電させ、対向する電極であるエクストラクタＥｘに飛翔させてそのエクストラクタＥｘの穴から粒子を外部に放出して加速することにより、電位勾配の最も高いエミッタＥの先端に粒子を移動させる間に充分に帯電させた後に当該エミッタＥの先端の非常に狭い領域から高輝度の粒子を放出する粒子銃を実現することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図１から図３を用いて本発明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１において、コンテナＣは、粒子を収納する容器であって、内部に帯電させて加速しようとする粒子（例えば数μｍのカーボン粒子や半田粒子など）を格納する容器である。
【００２２】
振動子Ｖは、シャフトＳを振動させて粒子を供給するものであって、チタン酸バリウムなどの円板の両側に電極を設けて所定の周波数の所定波形の信号の電圧を印加して当該チタン酸バリウムを図中で上下方向および斜め方向に振動させ、当該振動によってシャフトＳを振動させるものである。
【００２３】
細管Ｎは、内部にシャフトＳを通して振動させて粒子を所定流量で搬送するためのものであって、例えば内径が１ｍｍφ以下でその内部に０．４ｍｍφのピアノ線のシャフトＳを通して振動させて粒子を所定終了で搬送し下方に放出するものである。
【００２４】
カソードＫは、エクストラクタＥｘとの間にエクストラクタ電圧を印加して粒子に帯電させるための電圧を印加するものであって、最大の電位勾配を持たせた突起を持つエミッタＥを設けたものである。これにより、図示の点線の矢印に示すように、細管Ｎの先端から徐々に放出された粒子は最大の電位勾配のエミッタＥの先端に導かれ、この先端からエクストラクタＥｘに向けて放出される。
【００２５】
エミッタＥは、カソードＫと同電位であって、突起を持ち、最大の電位勾配を持つように設けたものであり、帯電された粒子を導いてエクストラクタＥｘの穴に向けて放出するものである。
【００２６】
エクストラクタＥｘは、カソードＫとの間でエクストラクタ電圧を印加して粒子を帯電させるためのものである。
アノードＡは、帯電した粒子を加速して外部に放出するものである。
【００２７】
エクストラクタ電圧ＶＥは、カソードＫとエクストラクタＥｘとの間に印加する電圧であって、粒子に正の電荷を帯電させる場合にはカソードＫを正、エクストラクタＥｘを負に印加し、一方、粒子に負の電荷を帯電させる場合にはカソードＫを負、エクストラクタＥｘを正に印加するものである。
【００２８】
加速電圧ＶＡＣＣは、エクストラクタＥｘから放出された帯電した粒子を加速するものであって、帯電した粒子が正のときには更に正の高電圧であり、一方、帯電した粒子が負のときは更に負の高電圧である。
【００２９】
次に、図１の構造の動作を説明する。
（１）    コンテナＣに格納された粒子は振動子ＶによってシャフトＳが振動されると、当該シャフトＳが細管Ｎ内で振動して粒子をカソードＫの穴の部分から所定流量で放出する。
【００３０】
（２）  （１）で放出された粒子は、カソードＫとエクストラクタＥｘとの間に印加されているエクストラクタ電圧ＶＥによって帯電され、カソードＫ上の最大の電位勾配を持つエミッタＥの先端に導かれる（吸引される）。この導かれる途中でカソードＫに粒子が接触して帯電されると共に最大の電位勾配のエミッタＥの先端に引き寄せられる。
【００３１】
（３）  （２）で最大の電位勾配を持つエミッタＥの先端に導かれた帯電した粒子は、当該エミッタＥの先端からエクストラクタＥｘの穴に向けて放出され、更にアノードＡに印加された電圧によって加速され、外部に放出される。
【００３２】
（４）  この際、カソードＫに接続された細管Ｎから放出された粒子を、当該カソードＫに対向する電極であるエクストラクタＥｘとの間で複数回、衝突と反射を繰り返し、帯電された粒子を最も電位勾配の高いエミッタＥに導き、当該エミッタＥの先端からエクストラクタＥｘの穴に向けて帯電した粒子を放出し、更にアノードＡによって加速して外部に帯電した粒子を放出するようにしている。
【００３３】
（５）  また、細管Ｎを、エミッタＥの先端、エクストラクタＥｘの穴およびアノードＡの穴からなる軸以外の部分に設けるようにしている。
以上によって、粒子に振動エネルギーを与えて細管Ｎから所定流量で放出し、カソードＫに突出した最大の電位勾配のエミッタＥの先端に導く間に充分に帯電させ、対向するエクストラクタＥｘに飛翔させてそのエクストラクタＥｘの穴から粒子を外部に放出して加速することが可能となる。これにより、電位勾配の最も高いエミッタＥの先端に粒子を移動させる間に充分に帯電させて帯電されない粒子の発生を無くして帯電効率を良好にすると共に、更にエミッタＥの先端の非常に狭い領域から帯電した粒子を放出して加速し、高輝度の帯電した粒子を放出することが可能となる。
【００３４】
図２は、本発明の詳細構造図を示す。ここで、コンテナＣ、振動子Ｖ、シャフトＳ、エクストラクタＥｘ、アノードＡは、図１の構成とほぼ同一であるので説明を省略する。
【００３５】
図２の（ａ）は、粒子遮断棒Ｌを設けると共に細管Ｎの一方の縁をエミッタＥとした構造例を示す。
図２の（ａ）において、粒子遮断棒Ｌは、振動子Ｖ１によってシャフトＳをここでは横方向に押下して振動を抑止して粒子の搬送を遮断させたり、抑止を解除して粒子の搬送を再開させたりするためのものである。これにより、任意の時間に粒子を搬送して細管Ｎから放出したり、粒子の搬送を停止させて細管Ｎからの放出を停止させたり、任意に制御可能となる。
【００３６】
エミッタＥ１は、細管Ｎの先端の一方の縁を突起状にして最大の電位勾配を持たせたものであって、細管Ｎから放出される粒子は最大の電位勾配の当該エミッタＥ１の部分に引き寄せられる（導かれる）ようにしたものである。このエミッタＥ１の先端と、エクストラクタＥｘの穴、およびアノードＡの穴がそれぞれ軸上にくるように設定し、図示の点線の矢印の方向に帯電した粒子を放出する。
【００３７】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）の細管Ｎの先端部分の拡大図を示す。図示のように、シャフトＳが振動子Ｖによって上下および左右に振動されると、点線の矢印に示すように、粒子が主に重力により下方に搬送され、外部に放出されようとするが、ここでは、細管Ｎの左端が突起状になっており、エミッタＥ１と、図示外の対向する電極であるエクストラクタＥｘとの間に帯電用のエクストラクタＶＥが印加され、当該エミッタＥ１の先端が最大の電位勾配となっているので、帯電した粒子は当該エミッタＥ１の先端に導かれ（吸引され）る。導かれた粒子はエミッタＥ１の先端からエクストラクタＥｘの向けて放出され当該エクストラクタＥｘの穴を通過してアノードＡに印加された電圧によって加速され外部に放出されることとなる。この際、細管Ｎの一方の端を突起状にして最大の電位勾配としたエミッタＥ１を設けたため、細管Ｎから放出されようとする粒子は当該エミッタＥ１向けて移動し、当該移動する際に細管ＮやエミッタＥ１の根元などに接触して充分に帯電され、効率良好に帯電させることが可能となると共に、帯電した粒子は最大の電位勾配の突起状のエミッタＥ１の先端のみから放出され、放出源の半径が小さくなり、高輝度（単位面積当たりの粒子の数、あるいは単位立体角当たりの粒子の数）の粒子を放出する粒子銃を実現することが可能となる。
【００３８】
以上によって、細管Ｎの一方の端を突起状にしてエミッタＥ１とし、当該エミッタＥ１に細管Ｎから放出される粒子を導いて充分に帯電させ、帯電効率を良好にすることが可能となると共に、帯電した粒子を突起状の最大の電位勾配のエミッタＥ１の先端からのみ放出して加速し、粒子源を小さくして高輝度を実現することが可能となる。
【００３９】
図３は、本発明の要部構造図を示す。これは、コンテナＣ内の粒子の搬送を停止、再開する弁（図３の（ａ）、（ｂ））、および図２のシャフトＳおよび振動子Ｖの代わりに粒子を搬送する他の構造例（図３の（ｃ））を示す。
【００４０】
図３の（ａ）は、電磁コイル１１で細管Ｎの内部の磁性の粒子の搬送を遮断させる粒子弁の例を示す。ここでは、図示のように、細管の外部に電磁コイル１１を設け、この電磁コイル１１に電流を流し、細管Ｎの内部を図中で下方に搬送されている粒子を電磁界で下方に移動しないようにトラップし、粒子の搬送を停止させたり、電磁コイル１１の電流を停止させて粒子の搬送を再開させたりさせるものである。
【００４１】
図３の（ｂ）は、アクチュエータ１２で細管Ｎを横方向に振動させて粒子の搬送をトラップさせる例を示す。ここでは、図示のように、細管の外部にアクチュエータ１２を設け、このアクチュエータ１２に所定の矩形あるいはサイン波形の信号を供給する。信号例を図４に示す。供給された信号によって細管Ｎを左右方向に振動させ、細管Ｎの内部を図中で下方に搬送されている粒子を横方向（図中の左右方向）に振動して細管Ｎの内壁との抵抗を大にし、結果として下方への粒子の搬送を停止ないし搬送量を減少させるものである。
【００４２】
図３の（ｃ）は、図２のシャフトＳおよび振動子Ｖの代わりに粒子を搬送する他の構造例である。ここでは、図２のシャフトＳおよび振動子Ｖの代わりに、コンテナＣの非対象位置に置いた振動子１３によってコンテナＣおよび細管Ｎの全体を振動（縦方向および横方向に振動）させ、細管Ｎの下方に粒子を搬送して放出させるようにしたものである。このように、コンテナＣの非対象位置に振動子１３を取り付けてコンテナＣおよび細管Ｎの全体を主に上下、更に横方向に振動させることにより、既述した図２のシャフトＳを上下方向に振動させて粒子を重力で下方に移動させていたと同様に粒子を細管Ｎの下方に搬送することが可能となる。この際、完全に上下方向のみではなく、振幅は小さくても左右方向の成分を合わせて粒子に印加して細管Ｎの内部を粒子を下方に重力で移動させて当該細管の下方の先端から放出するものである。尚、この場合には、図３の（ａ）の電磁コイル１１あるいは図３の（ｂ）のアクチュエータ１２を細管に図示のように取り付け、粒子の搬送を停止、再開を制御する。
【００４３】
図４は、本発明の振動波形信号例を示す。これは、既述した図３の（ｂ）などで供給する振動波形信号の例であり、ｆ＝Ａ  ｓｉｎ（ωＴ＋ｓｉｎω２ｔ）の振動波形信号であって、横軸は時間、縦軸は振幅（Ｖ）である。このように周波数が高い部分と低い部分（あるいは図示しないが信号の無い部分）を設け、高い部分で粒子の搬送を停止ないし減少させ、遅い部分（あるいは信号の無い部分）で粒子の搬送を行うように実験によって最適な値を設定することにより、粒子の搬送を振動波形信号によって簡易にＯＮ／ＯＦＦ制御（あるいは流量制御）することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粒子に振動エネルギーを与えて供給し、カソードＫに突出したエミッタＥを設けて電位勾配を最も高くして供給された粒子をこのエミッタＥの先端に導く間に充分に帯電させ、対向する電極であるエクストラクタＥｘに飛翔させてそのエクストラクタＥｘの穴から粒子を外部に放出して加速する構成を採用しているため、電位勾配の最も高いエミッタＥの先端に粒子を移動させる間に充分に帯電させた後に当該エミッタＥの先端の非常に狭い領域から高輝度の粒子を放出でき、高輝度かつ高帯電効率の粒子銃を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例構造図である。
【図２】本発明の詳細構造図である。
【図３】本発明の要部構造図である。
【図４】本発明の振動波形信号例である。
【図５】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
Ａ：アノード
Ｃ：コンテナ
Ｅ：エミッタ
Ｋ：カソード
Ｌ：粒子遮断棒
Ｎ：細管
Ｓ：シャフト
Ｖ：振動子
ＥＸ：エクストラクタ
ＶＥ：エクストラクタ電圧
ＶＡＣＣ：加速電圧
１１：電磁コイル
１２：アクチュエータ
１３：振動子
【図１】
0003569705.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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