(57)【要約】【課題】構造が簡単で安価な、荷電粒子ビームの空間分布及びエネルギー分布の同時測定が容易に行える荷電粒子計測装置を提供する。【解決手段】固定配置された荷電粒子計測板の前面に、それぞれ異なる角度に形成されたスリット状の開孔部を有する２枚の遮蔽板を配置し、これら２枚の遮蔽板の内の少なくとも一方を移動可能に設置する。この可動遮蔽板を所定の方向に移動させることにより、２枚の遮蔽板に形成された開孔部の重なり合った部分を通過したビーム粒子を計測することにより、ビーム粒子の任意の空間分布を測定する。また、計測板に与える電位を変化させながら、可動遮蔽板を移動させることにより、ビーム粒子のエネルギー分布と空間分布を同時に測定する。【選択図】　図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを金属製の計測板の一面に衝突させ、電流として荷電粒子数を測定する荷電粒子計測装置において、
前記計測板の前記荷電粒子ビームが入射する面の前方に、所定の開孔部が形成された遮蔽板を移動可能に設置したことを特徴とする荷電粒子計測装置。
【請求項２】
荷電粒子ビームを金属製の計測板の一面に衝突させ、電流として荷電粒子数を測定する荷電粒子計測装置において、
前記計測板の前記荷電粒子ビームが入射する面の前方に、所定の開孔部が形成された２つの遮蔽板を配置し、前記２つの遮蔽板の内、少なくとも一方を移動可能に設置したことを特徴とする荷電粒子計測装置。
【請求項３】
前記開孔部が長辺を有するスリット状に形成され、前記２つの遮蔽板がそれぞれに形成されたスリットの角度が互いに異なるように配置されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子計測装置。
【請求項４】
前記移動可能に設置された遮蔽板の移動方向が、直線方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置。
【請求項５】
前記移動可能に設置された遮蔽板の移動方向が、前記荷電粒子ビームに略平行な軸を中心とする回転方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置。
【請求項６】
前記２つの遮蔽板の内、少なくとも一方の遮蔽板に形成される開孔部の数を複数としたことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子計測装置。
【請求項７】
前記移動可能に設置された遮蔽板が、巻取り可能な膜状部材から構成され、前記膜状部材を所定の方向に巻き取ることができる巻取り機構を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置。
【請求項８】
高電圧用電流導入端子を具備し、前記計測板に電位を与えることができるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の荷電粒子計測装置。
【請求項９】
前記移動可能に設置された遮蔽板の動きに連動して、前記計測板に与えられる電位を変えるように構成したことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子計測装置。
【請求項１０】
前記荷電粒子ビームに交差する磁力線を発生する磁場発生手段を具備したことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項８のいずれか一に記載の荷電粒子計測装置。
【請求項１１】
前記磁場発生手段が、前記遮蔽板に取り付けられた永久磁石であることを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子計測装置。
【請求項１２】
前記磁場発生手段が、前記遮蔽板に取り付けられたソレノイドコイルであることを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子計測装置。
【請求項１３】
磁場強度を経時的に変化させるように構成したことを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームや電子ビームのビームライン中で用いる荷電粒子計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム装置では、イオンが走行する位置やその量を測定することが多く、この測定手段としては、金属板にイオンを衝突させ、電流としてイオンを計測する手法が多用されている。
【０００３】
図１５は、イオンビームの空間分布を測定する測定装置の従来例である。なお、以下の説明においてはイオンビームを例として挙げたが、電子ビームや、電子とイオンあるいは異種イオンの混合ビームの場合であっても同様である。すなわち、図１５において、１はイオンビームであり、計測容器２へ入射する。なお、イオンビーム発生装置や計測容器は、図示しない真空排気装置で所要の真空状態に保たれている。
【０００４】
３は荷電粒子計測器（本例では、イオン計測器）であり、ファラディカップ等がよく用いられる。また、４は駆動軸、７はベロー、８は駆動装置であり、ベロー７を伸縮させることによりイオン計測器３を上下に移動させることができるように構成されている。また、９はイオン計測器３からの信号を容器外へ取り出す電流導入端子であり、信号線５及び電流計１０を介して、コンピュータ６に接続されている。また、コンピュータ６は、前記駆動装置８を制御すると共に、電流計１０の信号を取り込み、イオン計測器３の位置とイオン電流の関係を記録・保存・表示することができるように構成されている。
【０００５】
図１５に示したような構成を有する従来の測定装置で測定できる空間分布は、上下方向だけであり、水平方向を測定するためには、イオン計測器３、駆動軸４、信号線５、ベロー７、駆動装置８及び電流導入端子９を水平方向に移動させるか、同じ装置を水平方向用に増設する必要がある。
【０００６】
しかしながら、駆動装置８は高価であり、装置一式は真空装置であるため、移動するには多くの時間と手間が必要である。そのため、駆動装置８を移動させることなく水平方向のイオンビームの空間分布を測定する手段の開発が切望されていた。
【０００７】
また、イオンビームの測定においては、イオン粒子のエネルギー分布（エネルギースペクトル）を測定することも多い。このようなエネルギー測定においては、図１６に示すように、アルミナセラミクスから成る絶縁スペーサ１１を介して、計測容器２とイオン計測器３を絶縁し、高電圧電源１２で発生させた電圧をイオン計測器３へ給電するように構成されている。計測容器２へ入射したイオン粒子は、イオン計測器３の電位に相当するエネルギーより低い場合は反発され、高い場合はイオン計測器３へ入射する。したがって、高電圧電源１２の電圧を変えることによって、イオンビームのエネルギー分布を計測することができる。
【０００８】
さらに、イオンビームのエネルギー分布の測定だけでなく、その空間分布も測定したい場合も多い。図１７は、エネルギー分布と空間分布の両方を測定するための計測装置の構成を示す図である。すなわち、図１５に示した駆動装置一式を絶縁スペーサ１１で計測容器２から絶縁し、さらに駆動装置８と制御用のコンピュータ６への給電は絶縁トランス１３を介して行うように構成されている。なお、図示していないが、コンピュータ６を制御する必要がある場合は、光ガイド等を用いてコンピュータ６を操作する制御装置が別途必要になる。
【０００９】
しかしながら、図１７に示したような構成を有する計測装置は、高価になる上に、安全性と操作性の両面から使い勝手が悪いという欠点があった。そのため、エネルギー分布と空間分布を廉価で容易に測定することができる装置の開発が期待されていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の荷電粒子計測装置では、任意の方向の空間分布の測定が煩雑であったり、空間分布とエネルギー分布の両方を測定するときは複雑で高価な装置が必要であった。
【００１１】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであって、その目的は、構造が簡単で安価な、荷電粒子ビームの空間分布及びエネルギー分布の同時測定が容易に行える荷電粒子計測装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、荷電粒子ビームを金属製の計測板の一面に衝突させ、電流として荷電粒子数を測定する荷電粒子計測装置において、前記計測板の前記荷電粒子ビームが入射する面の前方に、所定の開孔部が形成された遮蔽板を移動可能に設置したことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、荷電粒子ビームを金属製の計測板の一面に衝突させ、電流として荷電粒子数を測定する荷電粒子計測装置において、前記計測板の前記荷電粒子ビームが入射する面の前方に、所定の開孔部が形成された２つの遮蔽板を配置し、前記２つの遮蔽板の内、少なくとも一方を移動可能に設置したことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項１又は請求項２の発明によれば、開孔部が形成された可動遮蔽板を移動させることにより、ビーム粒子の多方向の分布測定が可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の荷電粒子計測装置において、前記開孔部が長辺を有するスリット状に形成され、前記２つの遮蔽板がそれぞれに形成されたスリットの角度が互いに異なるように配置されていることを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項３の発明によれば、２枚の遮蔽板に形成された開孔部の重なり合った部分を通過したビーム粒子を計測することにより、ビーム粒子の任意の空間分布を測定することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置において、前記移動可能に設置された遮蔽板の移動方向が、直線方向であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置において、前記移動可能に設置された遮蔽板の移動方向が、前記荷電粒子ビームに略平行な軸を中心とする回転方向であることを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項４又は請求項５の発明によれば、可動遮蔽板を直線方向あるいは荷電粒子ビームに略平行な軸を中心とする回転方向に移動させることにより、ビーム粒子の多方向の分布測定が可能となる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項２記載の荷電粒子計測装置において、前記２つの遮蔽板の内、少なくとも一方の遮蔽板に形成される開孔部の数を複数としたことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項６の発明によれば、ビーム全領域の測定が容易にできる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の荷電粒子計測装置において、前記移動可能に設置された遮蔽板が、巻取り可能な膜状部材から構成され、前記膜状部材を所定の方向に巻き取ることができる巻取り機構を具備したことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項７の発明によれば、可動遮蔽板を移動させるための領域が不足する場合であっても、ビーム全領域の測定が容易にできる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の荷電粒子計測装置において、高電圧用電流導入端子を具備し、前記計測板に電位を与えることができるように構成したことを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８記載の荷電粒子計測装置において、前記移動可能に設置された遮蔽板の動きに連動して、前記計測板に与えられる電位を変えるように構成したことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項８又は請求項９の発明によれば、荷電粒子のエネルギー分布を計測することができる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１、請求項２又は請求項８のいずれか一に記載の荷電粒子計測装置において、前記荷電粒子ビームに交差する磁力線を発生する磁場発生手段を具備したことを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載の荷電粒子計測装置において、前記磁場発生手段が、前記遮蔽板に取り付けられた永久磁石であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０記載の荷電粒子計測装置において、前記磁場発生手段が、前記遮蔽板に取り付けられたソレノイドコイルであることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１０記載の荷電粒子計測装置において、磁場強度を経時的に変化させるように構成したことを特徴とする。
上記のような構成を有する請求項１０〜請求項１３の発明によれば、ビーム中に負イオンだけでなく電子成分が含まれる場合であっても、イオン源から水素の負イオンを引き出したビームの分析を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、上述した従来型と同一の部材については同一の符号を付して、説明は省略する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の荷電粒子計測装置の第１実施形態の構成を示す一部切欠き断面図である。すなわち、本実施形態の荷電粒子計測装置においては、計測板３０は計測容器２の側部に固定され、電流導入端子９を介して電流計１０に信号を伝えるように構成されている。なお、この計測板３０は、ビーム全体を計測できるように充分大きな面積を有している。また、計測板３０と対向する位置には、所定の間隔をおいて、後述するような開孔部を有する第１の遮蔽板１４が固定配置され、さらに、所定の間隔をおいて、後述するような開孔部を有する第２の遮蔽板１５が、駆動装置８によって上下動可能に配設されている。
【００２１】
図２は、上記第１及び第２の遮蔽板１４、１５の構成を示す要部拡大斜視図であり、計測板３０に対向して固定配置された第１の遮蔽板（固定遮蔽板）１４には、開孔部として水平方向のスリット１６が形成され、また、上下動可能に配設された第２の遮蔽板（可動遮蔽板）１５には、開孔部として斜め方向のスリット１７が形成されている。
【００２２】
このような構成を有する本実施形態の荷電粒子計測装置においては、計測容器２の側方から進入したビーム粒子は、上記第１及び第２の遮蔽板１４、１５に形成されたスリット１６、１７が重なった部分だけを通過することができる。従って、第２の遮蔽板１５が上下方向へ移動するにつれて、２つのスリット１６、１７の重なった部分は水平方向に移動するため、ビーム粒子の水平方向の分布測定ができる。このように本実施形態によれば、上下方向の駆動装置をもつ計測装置であっても、水平方向の分布測定が可能である。
【００２３】
また、図３は、本実施形態の変形例を示したものであり、第１の遮蔽板１４に形成するスリット１６を、上下方向としたものである。この場合は、第２の遮蔽板１５が上下方向へ移動するにつれて、２つのスリット１６、１７の重なった部分は上下方向に移動するため、ビーム粒子の上下方向の分布測定ができる。
【００２４】
なお、上下方向の分布測定だけならば、上述した図１６に示した従来の構成で充分であるが、本実施形態によれば、上下、左右の測定が同じ装置ででき、さらに、スリットの方向を図４に示したように任意の角度に選ぶことによって、いずれの方向も測定することができる。
【００２５】
（２）第２実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図５に示したように、計測板３０と対向する位置に、所定の間隔をおいて配設される第１の遮蔽板１８を、第２の遮蔽板１５と同様に上下動可能に配設したものである。なお、本実施形態においても、第１の遮蔽板（可動遮蔽板）１８には水平方向のスリット１６が形成され、また、上下動可能に配設された第２の遮蔽板（可動遮蔽板）１５には、斜め方向のスリット１７が形成されている。
【００２６】
このような構成を有する本実施形態においては、異なる方向のスリットが形成された２枚の遮蔽板１８、１５の両方を移動させることにより、ビーム断面全体の分布測定を行うことができる。なお、２枚の遮蔽板の移動方向は上下方向に限らず、水平方向であっても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００２７】
（３）第３実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、第２の遮蔽板の移動方向を荷電粒子ビームに略平行な軸を中心とする回転方向としたものである。すなわち、本実施形態においては、図６に示したように、第２の遮蔽板が回転遮蔽板２８により構成されている。また、真空容器である計測容器２の外側部には回転導入器１９が取り付けられ、計測容器２の内部に配設された回転軸２０に回転動作を伝達するように構成されている。また、回転軸２０の先端部には変換器２１が取り付けられ、回転軸２０の軸回転を回転遮蔽板２８の面回転に変換するように構成されている。なお、図中２２は、回転遮蔽板２８の支持部であって、変換器２１と対向する位置に配設されている。また、回転遮蔽板２８には、曲線状のスリット３１が形成されている。
【００２８】
このような構成を有する本実施形態においては、第１実施形態と同様に第１の遮蔽板１４は固定配置されているが、第２の遮蔽板である回転遮蔽板２８が回転し、また、この回転遮蔽板２８には曲線状のスリット３１が形成されているため、回転遮蔽板２８は図２に示した第２の遮蔽板（可動遮蔽板）１５と同様に作用するため、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
（４）第４実施形態
測定板３０を設置する領域に余裕があるときは、図７に示すような遮蔽板を用いることによりビーム全領域の測定ができる。すなわち、固定配置された第１の遮蔽板（固定遮蔽板）１４に複数のスリット１６を設けると共に、移動可能に配設された第２の遮蔽板（可動遮蔽板）１５には、縦方向には充分な間隔をとり、横方向には位置をずらして開孔部３２を設ける。
【００３０】
このような構成を有する本実施形態においては、可動遮蔽板１５を上下に移動させることによりビーム全部の領域の分布を測定できる。なお、図７で可動遮蔽板１５を移動させるための領域が不足する場合には、図８に示すように、可動遮蔽板１５を膜状の部材で構成し、上下に巻取り機構２３を設けて、前記膜状部材を所定の方向に巻き取るように構成してもよい。
【００３１】
（５）第５実施形態
本実施形態は、上記の各実施形態を応用することにより、荷電粒子ビームの空間分布とエネルギー分布の同時測定を可能としたものである。すなわち、本実施形態では、図９に示したように、計測板３０は絶縁スペーサ１１を介して高電圧電源１２に結線され、高電圧電源１２の操作で計測板３０の電位が変化するように構成されている。また、図９において２５は電流計１０の信号を伝送する光ガイドであり、２４は光ガイド２５の信号を中継すると共に、高電圧電源１２を制御するためのインターフェイスである。さらに、計測板３０には所定の間隔をおいて１枚の可動式の遮蔽板３３が対向配置されている。この可動式の遮蔽板３３には、図１０に示したように、位置測定を行うための小孔３４が形成されている。
【００３２】
また、高電圧電源１２と遮蔽板の駆動装置８はコンピュータ６によって制御されており、互いに連動して動作するように構成されている。このコンピュータ６による制御は、図１１に示したように行われる。すなわち、可動式の遮蔽板３３を階段状に移動させ、同時に高電圧電源１２の出力を鋸歯状に変化させる。すでに述べたように、計測板３０の電位を変化させることによりビームのエネルギー測定を行うことができる。
【００３３】
このような構成を有する本実施形態によれば、駆動装置８やコンピュータ６を高電位にすることなく、絶縁トランスも不要で、安全・廉価で操作しやすい測定装置が得られる。なお、図９では上下方向の分布測定例を示したが、図１２に示したような構成にすれば、前述の空間分布の場合の技術をそのまま適用することができ、任意の空間分布がエネルギー分布と共に得られる。
【００３４】
ところで、荷電粒子ビームは単一種の粒子だけで構成されているとは限らない。混合粒子がビームを形成している場合でも、本発明の技術を用いると効果的な測定が行える。例えば、イオン源から水素の負イオンを引き出したビームの分析を行う場合は、ビーム中に負イオンだけでなく電子成分が含まれる場合が多い。計測板３０に負イオンと共に電子が入射すると、負イオン電流が正しく測定できない。
【００３５】
この場合、図１３に示すように、固定遮蔽板１４のスリット１６の近傍に永久磁石２６を設置し、ビームに交差するように磁力線を発生させると効果的である。一般に、荷電粒子が磁場中に入射すると運動の方向が偏向するが、偏向の程度は質量が小さいほど大きい。水素の負イオンと電子の質量は１８００倍異なるため、わずかの磁場で電子は偏向し、ビームから除去される。一方、水素負イオンはほとんど偏向されることなく直進するので、水素負イオンと電子を分離することができる。このように、図１３の構成によれば、電子とイオンの分離を行いながら、負イオンの空間分布とエネルギー分布の同時測定を行うことができる。
【００３６】
また、図１３では永久磁石を用いたが、図１４に示したように、ソレノイドコイル２７を用いても良い。なお、図中２７の矢印は、コイルの通電電流の方向を示したものである。
このように、ソレノイドコイルを用いると、永久磁石の場合よりも多くの効果が得られる。すなわち、前述の負イオンと電子の混合ビームの場合に、コイルの通電の有無によって、計測板３０へ入射する粒子が負イオンのみの場合と、負イオンと電子の混合ビームが入射する場合がある。したがって、両方の場合を比較すれば、電子とイオンの両者の粒子数を知ることができる。このように、ソレノイドコイルを用いれば、電子とイオンの両方の空間分布とエネルギー分布が得られる。
さらに磁場による荷電粒子の偏向効果を積極的に用いると、複数のイオンが含まれているときでも粒子を弁別し、空間分布、エネルギー分布の同時測定が可能である。
【００３７】
以上説明した様に、本発明によれば、単一の荷電粒子計測装置で、駆動装置を移動させることなく任意の方向の空間分布が容易に得られる。また、駆動装置等を高電位とすることなく、ビーム粒子の空間分布とエネルギー分布の測定が安全・容易に行うことができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されず、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、構造が簡単で安価な、荷電粒子ビームの空間分布及びエネルギー分布の同時測定が容易に行える荷電粒子計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷電粒子計測装置の第１実施形態の構成を示す一部切欠き断面図
【図２】第１及び第２の遮蔽板の構成を示す要部拡大斜視図
【図３】第１の遮蔽板に形成されるスリットの他の構成を示す平面図
【図４】第１の遮蔽板に形成されるスリットの他の構成を示す平面図
【図５】本発明の荷電粒子計測装置の第２実施形態の構成を示す要部拡大斜視図
【図６】本発明の荷電粒子計測装置の第３実施形態の構成を示す要部拡大側面図
【図７】本発明の荷電粒子計測装置の第４実施形態における遮蔽板の構成を示す平面図
【図８】本発明の荷電粒子計測装置の第４実施形態の変形例を示す側面図
【図９】本発明の荷電粒子計測装置の第５実施形態の構成を示す一部切欠き断面図
【図１０】第５実施形態の遮蔽板の構成を示す要部拡大斜視図
【図１１】荷電粒子の空間分布とエネルギー分布の同時測定を行うときの駆動装置と高電圧電源の制御を説明する図
【図１２】本発明の荷電粒子計測装置の第５実施形態の他の構成を示す一部切欠き断面図
【図１３】遮蔽板に永久磁石を取り付けた例を示す側面図
【図１４】遮蔽板にソレノイドコイルを取り付けた例を示す側面図
【図１５】荷電粒子の空間分布を求める従来の計測装置の構成を示す一部切欠き断面図
【図１６】荷電粒子のエネルギー分布を求める従来の計測装置の構成を示す一部切欠き断面図
【図１７】荷電粒子のエネルギー分布と空間分布を求める従来の計測装置の構成を示す一部切欠き断面図
【符号の説明】
１…イオンビーム
２…計測容器
３…荷電粒子計測器
４…駆動軸
５…信号線
６…コンピュータ
７…ベロー
８…駆動装置
９…電流導入端子
１０…電流計
１１…絶縁スペーサ
１２…高電圧電源
１３…絶縁トランス
１４…第１の遮蔽板（固定遮蔽板）
１５…第２の遮蔽板（可動遮蔽板）
１６、１７…スリット
１８…第１の遮蔽板（可動遮蔽板）
１９…回転導入器
２０…回転軸
２１…変換器
２２…支持部
２３…巻取り器
２４…インターフェイス
２５…光ガイド
２６…永久磁石
２７…ソレノイドコイル
２８…回転遮蔽板
３０…測定板
３１…スリット
３２…開孔部
３３…可動式の遮蔽板
３４…小孔
【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】
2004037126.tif 000017
【図１６】
2004037126.tif 000018
【図１７】
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