(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下（１）〜（３）の工程を含むことを特徴とする原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
（１）試料充填容器中の試料を加熱して蒸発させると共に、気体状態で低気圧側空間に噴出させることにより、試料の中性原子ビーム又は中性分子ビームを発生させる中性ビーム送出工程。
（２）送出された中性原子ビーム又は中性分子ビームからイオンを生成させ、生成したイオンを撮像レンズ系で中性原子ビームまたは中性分子ビームの進行方向とは垂直の方向に引き出し、電場勾配がないイオン飛行管の中を一定時間飛行させて、中性ビーム状態時の３次元速度ごとに異なる位置に集束させるイオン生成・輸送工程。
（３）輸送されたイオンを位置敏感型検出器に衝突させて中性原子ビーム又は中性分子ビームの速度分布を投影させ、得られた画像に数値変換を施すことでこれら中性ビームの３次元速度分布を決定する画像検出処理工程。
【請求項２】
前記原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法を、前記中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用する材料加工、反応工程又は分析・評価と並行して行うことを特徴とする請求項１に記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
【請求項３】
前記中性ビーム送出工程において、試料充填容器中の試料の加熱を以下（４）〜（６）のいずれかの手段で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
（４）試料充填容器に電熱線を巻いて直接加熱する。
（５）試料充填容器とは別に設けたフィラメントで生じさせた熱電子を、電場で引出し加速して試料充填容器に集束させ、電子ビーム加熱法で試料を加熱する。
（６）レーザー光をレンズで試料充填容器に集光して局所的にプラズマを発生させて試料を加熱する。
【請求項４】
前記（４）の場合において、試料充填容器が２本の石英管を石英円板で溶接した構造を持ち、上部石英管に試料が充填されると共に下部石英管には位置決め用の耐熱材料製支柱が挿入され、該支柱に設けた溝に通した熱電対の先端部が石英円板に接触している構造であることを特徴とする請求項３に記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
【請求項５】
前記イオン生成・輸送工程において生成させるイオンが以下の（７）又は（８）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
（７）光イオン化過程により、中性原子ビーム又は中性分子ビームから電子を剥ぎ取って生成する正イオン。
（８）電子付着過程により、中性原子ビーム又は中性分子ビームに光電子を付着させて生成する負イオン。
【請求項６】
前記イオン生成・輸送工程において、中性原子ビーム又は中性分子ビームからのイオン化が起こる領域が、中性ビームの中心軸と撮像レンズ系の中心軸の交点である原点を中心として最大でも１辺４ｍｍの立方体の領域内に限定されるように撮像レンズ系の電圧設定を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
【請求項７】
前記試料が分子であってイオン生成・輸送工程で生じた正または負の親イオンの一部が複数種類の娘イオンに解離する場合において、前記イオン飛行管の途中に質量数を選別させるためのポテンシャルゲートと追い返しグリッドを設けて親イオンのみを通過させ、親イオンのみを位置敏感型検出器に衝突させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法。
【請求項８】
少なくとも以下（１）〜（３）の手段を備えることを特徴とする原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置。
（１）試料充填容器中の試料を加熱して蒸発させると共に、気体状態で低気圧側空間に噴出させることにより、試料の中性原子ビーム又は中性分子ビームを発生させる中性ビーム送出手段。
（２）送出された中性原子ビーム又は中性分子ビームからイオンを生成させ、生成したイオンを撮像レンズ系で中性原子ビームまたは中性分子ビームの進行方向とは垂直の方向に引き出し、電場勾配がないイオン飛行管の中を一定時間飛行させて、中性ビーム状態時の３次元速度ごとに異なる位置に集束させるイオン生成・輸送手段。
（３）輸送されたイオンを位置敏感型検出器に衝突させて中性原子ビーム又は中性分子ビームの速度分布を投影させ、得られた画像に数値変換を施すことでこれら中性ビームの３次元速度分布を決定する画像検出処理手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法と、この方法を実施する装置に関する。更に詳しくは、本発明は、真空中の高速中性原子ビームや高速中性分子ビームの３次元速度分布と絶対流量をイオン画像検出によって測定する方法、及びこの方法を実施する装置に関する。ここで「３次元速度分布」とは、原子ビームまたは分子ビーム中の原子又は分子の速度ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の３変数関数で表された原子又は分子の個数分布Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）と定義される。
【背景技術】
【０００２】
中性粒子の原子線（原子ビーム）や分子線（分子ビーム）は真空蒸着、半導体電子素子製造プロセス、核融合反応炉などにおいて広く用いられている。典型例として、分子線エピタキシャル成長法（Molecular
Beam Epitaxy, MBE）では、噴出セル内の原料が加熱されることにより、原料が真空中に分子状（あるいは原子状）となって蒸発または昇華し、これが、特定の方向を向いた、すなわち半導体基板へと指向する原子または分子のビームとして供給され、半導体基板に到達した原子または分子が半導体薄膜を形成していくものである。別の例として、生体分子やポリマーの定量・定性試験にも中性粒子分子線が利用されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２９５５６号公報。  特許文献１には、加熱しても昇華しない分子あるいは高温で分解して原形を保てない分子についても、高強度の中性分子ビームを発生させることができ、かつ生成された中性分子ビームに含まれる分子およびクラスターをイオン化し、質量分析や分光測定などを行うことができる中性分子ビーム発生方法と装置が開示されている。さらに、高速の指向性がよい中性粒子の原子ビームや分子ビームは、表面散乱分析やエッチング加工技術にも使用されている。
【０００４】
上記の利用において、中性原子ビームや中性分子ビームの作用、効果を評価するために、高速の中性原子ビームや中性分子ビームの３次元速度分布や絶対流量を正確に測定することは、均一で正確な厚みを持つ半導体薄膜を作成したり、核融合プラズマの加熱や制御に用いる高速原子線を評価したり、生体分子ビームを発生させる為の極限条件を模索したり、半導体基板を超微細加工したりする上で重要である。
【０００５】
【特許文献２】特開平９−１３９３４８号公報。  特許文献２の分子線エピタキシャル成長法では、駆動式ヌードゲージを基板の下に置き、圧力測定から中性原子ビームや中性分子ビームの流量を最適化している。しかし、この方式ではそれらビームの速度に関する情報は得られないし、ヌードゲージのイオン捕集効率がフィラメントの劣化や表面状態変化とともに変動するので、絶対流量には誤差が大きい。
【０００６】
一方、表面散乱分析等では、中性原子ビームや中性分子ビームを高速の回転円板でパルス化し、数十ｃｍ離れた粒子検出器で飛んできた高速原子や高速分子を検出し、その飛行時間を測定することで速度分布を評価する方法が行われている。しかし、この方式では、1次元方向の流速しか得られないばかりでなく、円板上の細い隙間で中性ビームのごく一部しか切り出さないので、効率が著しく悪い。
【０００７】
【特許文献３】特開平６−１０９８５６号公報。  特許文献３には、真空中で中性原子ビームや中性分子ビームを衝突面に衝突させ、衝突面が受ける力を衝突面の位置の変化として検出し、中性原子ビームや中性分子ビームの平均運動量を評価できる装置が開示されている。この装置は半導体薄膜製造用のプロセスモニタ装置としての利用が見込まれている。しかし当該手法では、中性原子ビームや中性分子ビームの平均速度を粗く求めることはできるが、速度分布（速さと角度の分布、運動量分布）を正確に決めることは不可能である。また、中性原子ビームや中性分子ビームの運動エネルギーが熱エネルギーとして損失される割合が不明なため、衝突面の材質や表面形状の違いで測定結果に大きな不確定性が残る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、一般に高速の中性原子ビームや中性分子ビームの３次元速度分布や絶対流量を精密に計測する手段は見出されておらず、半導体製造用のプロセス装置、微細加工用エッチング装置や核融合反応炉などで用いられる高速の中性原子ビームや中性分子ビームの実用的な動作モニタ装置は、まだ提供されていない。
【０００９】
そこで本発明は、中性原子ビームや中性分子ビームの３次元速度分布を計測し、それらの流速、流量、角度分布を厳密に評価できる方法及び装置を提供すること、更に好ましくは、中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用する半導体電子素子製造用のプロセス装置、微細加工用エッチング装置や核融合反応炉等における実際の材料加工又は反応工程と並行して中性原子ビームや中性分子ビームの実用的な動作モニタを行い得る方法及び装置を提供することを、解決すべき技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（第１発明）
上記課題を解決するための本願第１発明の構成は、以下（１）〜（３）の工程を含む、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００１１】
（１）試料充填容器中の試料を加熱して蒸発させると共に、気体状態で低気圧側空間に噴出させることにより、試料の中性原子ビーム又は中性分子ビームを発生させる中性ビーム送出工程。
【００１２】
（２）送出された中性原子ビーム又は中性分子ビームからイオンを生成させ、生成したイオンを撮像レンズ系で中性原子ビーム又は中性分子ビームの進行方向とは垂直の方向に引き出し、電場勾配がないイオン飛行管の中を一定時間飛行させて、中性ビーム状態時の３次元速度ごとに異なる位置に集束させるイオン生成・輸送工程。
【００１３】
（３）輸送されたイオンを位置敏感型検出器に衝突させて中性原子ビーム又は中性分子ビームの速度分布を投影させ、得られた画像に数値変換を施すことでこれら中性ビームの３次元速度分布を決定する画像検出処理工程。
【００１４】
以上の第１発明のイオン生成・輸送工程において、生成したイオンを、撮像レンズ系により中性分子ビームの進行方向とは異なる任意の方向に引き出すことが可能であるが、本発明においては後述する理由により、生成したイオンを中性原子ビーム又は中性分子ビームの進行方向とは垂直の方向に引き出すことが好ましい。
【００１５】
（第２発明）
上記課題を解決するための本願第２発明の構成は、前記第１発明に係る原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法を、前記中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用する材料加工又は反応工程と並行して行う、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００１６】
この第２発明において「中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用する材料加工又は反応工程」の内容及び種類は、何らかの目的で中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用するプロセスである限りにおいて限定されないが、例えば、半導体電子素子製造用の加工プロセス、エッチング装置による微細加工、核融合反応炉における反応工程、等が好ましく例示される。即ち第２発明においては、上記の材料加工又は反応工程を実際に稼動させながら同時に発明方法を実施するので、測定データのフィードバックにより、当該材料加工又は反応工程における中性原子ビームや中性分子ビームの発生条件や使用条件を常に最適に制御することができる。
【００１７】
（第３発明）
上記課題を解決するための本願第３発明の構成は、前記第１発明又は第２発明に係る中性ビーム送出工程において、試料充填容器中の試料の加熱を以下の（４）〜（６）のいずれかの手段で行う、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００１８】
（４）試料充填容器に電熱線を巻いて直接加熱する。
【００１９】
（５）試料充填容器とは別に設けたフィラメントで生じさせた熱電子を、電場で引出し加速して試料充填容器に集束させ、電子ビーム加熱法で試料を加熱する。
【００２０】
（６）レーザー光をレンズで試料充填容器に集光して局所的にプラズマを発生させて試料を加熱する。
【００２１】
（第４発明）
上記課題を解決するための本願第４発明の構成は、前記第３発明に係る（４）の場合において、試料充填容器が２本の石英管を石英円板で溶接した構造を持ち、上部石英管に試料が充填されると共に下部石英管には位置決め用の耐熱材料製支柱が挿入され、該支柱に設けた溝に通した熱電対の先端部が石英円板に接触している構造である、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００２２】
（第５発明）
上記課題を解決するための本願第５発明の構成は、前記第１発明〜第４発明のいずれかに係るイオン生成・輸送工程において生成させるイオンが以下の（７）又は（８）である、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００２３】
（７）光イオン化過程により、中性原子ビーム又は中性分子ビームから電子を剥ぎ取って生成する正イオン。
【００２４】
（８）電子付着過程により、中性原子ビーム又は中性分子ビームに光電子を付着させて生成する負イオン。
【００２５】
（第６発明）
上記課題を解決するための本願第６発明の構成は、前記第１発明〜第５発明のいずれかに係るイオン生成・輸送工程において、中性原子ビーム又は中性分子ビームからのイオン化が起こる領域が、中性ビームの中心軸と撮像レンズ系の中心軸の交点である原点を中心として最大でも１辺４ｍｍの立方体の領域内に限定されるように撮像レンズ系の電圧設定を行う、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００２６】
以上の第６発明において「中性ビームの中心軸と撮像レンズ系の中心軸の交点である原点」とは、より詳しくは、実施形態欄で後述するように、「直線Ａと直線Ｂとの交点」である。又、上記の「撮像レンズ系の電圧設定」についても、実施形態欄で詳しく後述する。
【００２７】
（第７発明）
上記課題を解決するための本願第７発明の構成は、前記第１発明〜第６発明のいずれかに係る試料が分子であってイオン生成・輸送工程で生じた正または負の親イオンの一部が複数種類の娘イオンに解離する場合において、前記イオン飛行管の途中に質量数を選別させるためのポテンシャルゲートと追い返しグリッドを設けて親イオンのみを通過させ、親イオンのみを位置敏感型検出器に衝突させる、原子／分子ビームの３次元速度分布測定方法である。
【００２８】
なお、「親イオン」とは光イオン化で最初にできるイオンであり、例えば１ｃｃ中に１００万個以上の親イオンが生成し、そのうちの数％が解離を起こして様々な娘イオンに変化する。第７発明は、そのような場合を対象としている。
【００２９】
（第８発明）
上記課題を解決するための本願第８発明の構成は、少なくとも以下（１）〜（３）の手段を備える、原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置である。
【００３０】
（１）試料充填容器中の試料を加熱して蒸発させると共に、気体状態で低気圧側空間に噴出させることにより、試料の中性原子ビーム又は中性分子ビームを発生させる中性ビーム送出手段。
【００３１】
（２）送出された中性原子ビーム又は中性分子ビームからイオンを生成させ、生成したイオンを撮像レンズ系で中性原子ビームまたは中性分子ビームの進行方向とは垂直の方向に引き出し、電場勾配がないイオン飛行管の中を一定時間飛行させて、中性ビーム状態時の３次元速度ごとに異なる位置に集束させるイオン生成・輸送手段。
【００３２】
（３）輸送されたイオンを位置敏感型検出器に衝突させて中性原子ビーム又は中性分子ビームの速度分布を投影させ、得られた画像に数値変換を施すことでこれら中性ビームの３次元速度分布を決定する画像検出処理手段。
【００３３】
（その他の装置発明）
本発明に係る原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置においては、上記の第８発明に加え、以下の（ａ）〜(ｅ)の装置発明が含まれる。
（ａ）第８発明の原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置であって、当該中性原子ビーム又は中性分子ビームを利用する材料加工装置又は反応工程装置に付設されているもの。
（ｂ）第８発明の原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置であって、中性ビーム送出手段における試料充填容器中の試料を加熱する手段が第３発明の前記（４）〜（６）のいずれかの手段であるもの。
（ｃ）前記（ｂ）の場合における（４）の手段が、第４発明に記載された構造を持つ試料充填容器であるもの。
（ｄ）第８発明の原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置であって、イオン生成・輸送手段におけるイオン生成手段が、光イオン化過程により正イオンを生成させる手段であるもの、あるいは、電子付着過程により負イオンを生成させる手段であるもの。
（ｅ）第８発明の原子／分子ビームの３次元速度分布測定装置であって、イオン生成・輸送手段のイオン飛行管の途中に、質量数を選別させるためのポテンシャルゲートと、追い返しグリッドを設けているもの。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、固体試料または溶液試料の蒸発／昇華によって発生させた原子又は分子の中性ビームに光を照射して、原子又は分子をイオン化し、生成したイオンを画像検出することで、原子又は分子の中性ビームの３次元速度分布を計測し、中性原子ビームや中性分子ビームの流速、流量、角度分布を厳密に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、図面を参照して、本発明を実施するための形態を、その最良の形態を含めて説明する。
【００３６】
図１〜図３は、本発明による、イオンの位置敏感検出に基づいた中性原子ビーム又は中性分子ビームの３次元速度分布測定装置を示す図である。一方、図４は中性ビーム送出手段の別実施例を、図５はイオン生成・輸送手段の別実施例を示す説明図である。
【００３７】
図１において、イオン画像検出による中性ビーム速度分布の測定装置１を破線のブロックで示す。この測定装置１は、それぞれ破線のブロックで示す中性ビーム送出手段２、イオン生成・輸送手段３を備え、かつ、位置敏感型検出器４、位置解析コンピュータ５を備えている。以上のうち、位置解析コンピュータ５以外は高真空のステンレス製真空槽の中に組み込まれている。図１は測定装置１の側面図であり、図１の向かって左側の方向から見て中性ビーム送出手段２を示した正面図が図２である。
【００３８】
中性ビーム送出手段２は、試料を原子ビーム又は分子ビーム状にしてイオン化領域で十分な試料濃度を確保するための中性ビーム発生源６（図１において破線のブロックで示す）と、実線を用いて可視的に図示した中性ビーム７の強度の絶対値を常時監視するためのビームモニタ８（図１において破線のブロックで示す）から構成される。
【００３９】
中性ビーム発生源６には、タンタル製のヒーター９を巻付けた石英ガラス製の試料充填容器１０が設置してある。ヒーター９に直流電流を流して加熱し、試料充填容器１０内部の固体試料や液体試料を蒸発または昇華させ、高速の原子ビーム又は分子ビームを噴出させる。Ｃ６０を例に取ると、７８５Ｋに加熱したときに噴出されるＣ６０のビームの平均の速さは約１５２ｍ／ｓと見積もられ、室温（３００Ｋ）での平均速さの１．６倍になる。この試料充填容器１０では、クロメル・アルメル熱電対１１で加熱時の試料温度を測定する。
【００４０】
図３に、試料充填容器１０のより好ましい実施形態を示す。図３（ａ）は試料充填容器１０の全体図であり、図３（ａ）におけるＸ−Ｘ線、Ｙ−Ｙ線、Ｚ−Ｚ線にそれぞれ沿った断面図が図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）である。
【００４１】
従来の試料充填容器は、１本の石英パイプの底を溶融して塞いだ単純な構造をしており、中性ビームの安定性や温度測定の信頼性が悪い。そのため、中性ビーム発生源６には従来の試料充填容器を用いることはできない。これに対して試料充填容器１０においては、２本の石英管１０ａ、１０ｂと石英円板１０ｃを０．５ｍｍの精度で溶接した構造であり、上部の石英管１０ａには試料１０ｄが充填されている。下部の石英管１０ｂには、高温下でも石英管が動いて中性ビームの指向方向がぶれないように、位置決め用のステンレス製の支柱１０ｅが挿入されている。更にこの支柱１０ｅの側面にはＵ字型の断面を持つ溝１０ｆが掘ってあり、前記のクロメル・アルメル熱電対１１がこの溝１０ｆに通して石英円板の下面まで導入され、クロメル・アルメル熱電対１１の先端部が常時石英円板１０ｃに接触し、石英円板１０ｃの温度、即ち上部石英管１０ａ中の試料１０ｄの温度を正確に測定できるよう工夫されている。
【００４２】
ヒーター９と試料充填容器１０は最高で５５０℃まで熱されるため、熱輻射によってイオン生成・輸送手段３やビームモニタ８などの周辺装置に悪影響を与える恐れがある。そこで、試料充填容器１０は熱輻射をさえぎるための熱遮蔽円筒１２で覆われており、さらに中性ビーム７中に含まれる正イオンや電子等の荷電粒子を除去するためのコンデンサー型の偏向板電極１３が設置されている。この偏向板電極１３の入口には直径３ｍｍの円孔１４が、同じく出口には直径３ｍｍから４ｍｍに広がったテーパー状の円孔１５が開けてあり、中性ビームの角度広がりを抑える役割も果たしている。
【００４３】
ビームモニタ８には水冷された膜厚計１６が固定されている。膜厚計１６には応答速度の速いインフィコン社の水晶振動子型が用いられている。水晶板は取り外しができ、実験終了後に試料を回収することも可能である。以上に述べた試料充填容器１０の中心軸、熱遮蔽円筒１２の中心軸、膜厚計１６の水晶板の中心軸はいずれも、図１に示すように、１本の仮想線である直線Ａ上に並ぶ。
【００４４】
また、図４に示す別実施例に係る中性ビーム送出手段２ａには、前記の中性ビーム送出手段２に含まれる中性ビーム発生源６とは異なる形式の中性ビーム発生源６ａが設置されている。即ち、タングステン製のフィラメント９ｂと通常の形態の試料充填容器１０とを分離して配置し、フィラメント９ｂから照射される熱電子を２ｋＶ以上の高圧電場で加速して、試料充填容器１０の試料面を加速された電子で衝撃し加熱する。ビームモニタ８と偏向板電極１３は図１、図２に示す中性ビーム送出手段２で用いられているものと同一である。なお、中性ビーム発生源としては、これらの中性ビーム発生源６又は中性ビーム発生源６ａ以外にも、レーザープラズマ加熱法等の公知の手段も適宜利用できる。
【００４５】
再び図１と図２を参照して、イオン生成・輸送手段３を説明する。
【００４６】
イオン生成・輸送手段３は、試料の高速原子ビームまたは高速分子ビームに光を照射して正イオンを生成させるためのイオン化光１７、生成したイオンを引き出すための３枚組の電極からなる撮像レンズ系１８（図１において破線のブロックで示す）、例えば５μ秒から１００μ秒という一定の時間をかけてイオンの速度（中性ビーム中の原子または分子であった状態時の３次元速度）ごとに異なる位置に集束させるイオン飛行管１９（図１において破線のブロックで示す）を備えている。
【００４７】
イオンビームが膜厚計１６に衝突すると中性ビーム７の絶対強度が正しく測定できないこと、膜厚計１６の代わりに半導体の清浄表面基板を置いて中性ビーム７で薄膜作成や微細加工を行おうとするとイオンビームが障害になること、等の理由から、図１に示すようにイオンは中性ビーム７の進行方向から垂直に引き出す必要がある。なお、後述する逆アーベル変換などの画像処理が困難になるため、イオンを垂直以外の角度に引き出すことは好ましくない。
【００４８】
撮像レンズ系１８は中性ビーム発生源６とビームモニタ８に挟まれて配置されるもので、押出し電極２０、引込み電極２１、飛行管電極２２の３枚組の電極からなる。押出し電極２０の中心と引込み電極２１の中心を結ぶ直線を直線Ｂと定義すると、これらの２つの電極で挟まれた空間の中央で前記の直線Ａが直線Ｂと交差し、かつ直交する。以下の説明で、この交差点をイオン生成・輸送手段３の原点Ｏと呼ぶ。又、説明の都合上、原点Ｏを原点とした直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を組み、直線Ａの方向の座標をｘ軸、直線Ｂの方向の座標をｚ軸、ｘ軸とｚ軸に直交する方向の座標軸をｙ軸と定義する。試料の中性ビーム７はｘ軸に沿って正方向に向かって噴出され、生成した正イオンはｚ軸正方向に向かって引き出される。
【００４９】
撮像レンズ系１８を構成する前記の３枚の電極とも、５０ｍｍ角の正方形で、厚みが１ｍｍのステンレス鋼に加工されており、更に、３枚の電極とも中央に内径２０ｍｍの円孔が開けられている。押出し電極２０、引き込み電極２１、飛行管電極２２は互いに距離１５ｍｍずつ隔てられている。イオン飛行管１９は長さ１９０ｍｍ、内径４０ｍｍの円筒形をした第１段飛行管２３と、長さ１４８ｍｍ，内径１３０ｍｍの円筒形をした第２段飛行管２４が接続されて構成されている。撮像レンズ系１８の４回対称軸とイオン飛行管１９の円筒対称軸は一致しており、それらはｚ軸に等しい。
【００５０】
光源からの紫外光又は真空紫外光は、適当な光学素子（反射鏡、回折格子、レンズ等）でｙ軸に沿って導入され、ｘ軸方向とｚ軸方向ともに集束され、イオン化光１７として原点Ｏ付近に集光される。分光された放射光の場合、集光点での断面形状を図１のｘ軸方向で１ｍｍ以下、ｚ軸方向で１．５ｍｍ以下に狭めることは容易であるが、ｘ軸方向とｚ軸方向ともに４ｍｍ以下の広がりであれば、発明の基本的効果は保証される。
【００５１】
レーザー又は放射光の照射を受けることで、試料中性ビーム中に含まれる高速原子又は高速分子は、原点Ｏ付近で１光子又は多光子を吸収して、自らに含まれる電子を放出して正イオンとなる。撮像レンズ系１８にかけられた電圧によって発生される静電場によって、上記正イオンは中性ビーム７から引き出され、ｚ軸正方向に沿って加速される。
【００５２】
生成した正イオンは、引込み電極２１の中央の円孔、飛行管電極２２の中央の円孔、イオン飛行管１９を次々に通り抜けて、ｖｘ＝ｖｙ＝０の場合を除き、ｚが増加するに連れて次第にｚ軸から遠ざかっていく。今、第２段飛行管２４の終端ｚ＝３７５ｍｍに仮想的な映像面２５を配置したと仮定する。映像面２５上のｘ＝ｙ＝０の位置を映像面２５の原点Ｏ’と名付け、ｘ軸の投影像とｙ軸の投影像をそれぞれｘ’軸とｙ’軸として新たに２次元座標系（ｘ’，ｙ’）を定義する。
【００５３】
中性ビーム７中の高速原子又は高速分子から正イオンが生成した時刻を基準時刻とし、その基準時刻から計った正イオンが映像面２５まで飛来するための所要時間を飛行時間ｔとおく。飛行時間ｔの求め方は、正イオンの軌道解析によって原点Ｏから映像面２５までの所要時間を理論的に求めてもよいし、又は実際に測定装置１を稼働させて、押出し電極２０に高電圧パルスを印加して、正イオンの一部分をｚ軸方向に押し出し、飛行時間ｔを得てもよい。
【００５４】
前記に与えた映像面２５を利用して測定装置１のイオン生成・輸送手段３を使用したときの、イオン画像検出による中性ビームの３次元速度分布測定の原理を説明する。
【００５５】
撮像レンズ系１８に印加する電圧を調整すれば、映像面２５を通過する際に、イオンの位置のｘ’座標の値が中性ビーム７中の高速原子又は高速分子の速度ベクトルのｘ成分ｖｘと飛行時間ｔの積に比例し、かつイオンの位置のｙ’座標の値が当該速度ベクトルのｙ成分ｖｙと飛行時間ｔの積に比例するように最適化することが可能である。式で表せば、ｘ’＝Ｃｘｖｘｔとy’＝Ｃｙｖｙｔが成り立ち、Ｃｘをｘ座標方向の倍率、Ｃｙをｙ座標方向の倍率と呼ぶ。撮像レンズ系１８によって発生される静電場に歪がなく、正イオンが生成する領域でｚ軸に関して静電場の円筒対称性が保たれれば、ｘ座標方向の倍率Ｃｘとｙ座標方向の倍率Ｃｙは相等しい。故に、共通の倍率Ｃを用いてｘ’＝Ｃｖｘｔ、y’＝Ｃｖｙｔと書くことができる。
【００５６】
前項の手法に基づけば、映像面２５を通過する正イオンの位置座標（ｘ’，ｙ’）を媒介として、中性ビーム７中の高速原子又は高速分子の速度ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）が、映像面２５上に倍率Ｃで投影されると実質的に見なすことができる。中性ビーム７中の任意の高速原子又は高速分子に関して、ｘ’＝Ｃｖｘｔ、y’＝Ｃｖｙｔが成立することを考慮すれば、映像面２５を通過するすべての正イオンの位置座標データの集合は中性ビーム７の速度分布の映像面２５への投影像に他ならない。
【００５７】
中性ビーム発生源６からの中性ビーム噴出条件がｘ軸の回りに対称的であり、中性ビーム７の３次元速度分布がｖｘ軸に関して円筒対称であれば、上記投影像に対して逆アーベル変換を作用させることによって、中性ビーム７中の高速原子又は高速分子の速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像を数学的に求めることができ、上記円筒対称性を利用して中性ビーム７の３次元速度分布Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）が速度ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の３変数関数として求められる。但し、３次元速度分布Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）がｖｘ軸に関して円筒対称であるとは、Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）がｖｘとｒ＝（ｖｙ２＋ｖｚ２）０．５の２変数で一意的に表される
Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）＝Ｎ（ｖｘ，ｒ）
という状況を意味する。なお、上記説明で、倍率Ｃの値はまだ不明なのでｖｘとｖｙの絶対値は決まらない。
【００５８】
撮像レンズ系１８を調整することで、映像面２５上のイオンの位置データの集合から、原点Ｏ近傍で生成したイオンの生成直後の３次元速度分布を導出する、との前記で説明した粒子検出手段は、１９９７年にEpinkとParkerによって報告されており、公知技術である。しかしこの粒子検出手段を、高速中性ビームの３次元速度分布や絶対流量を精密に計測する手段に発展させた事例は過去にはない。さらに、本発明による高速中性ビームに対する速度分解能は３．９ｍ／ｓ以下であるのに対して、EpinkとParkerの粒子検出手段によるイオンビームに対する速度分解能は、高々３６ｍ／ｓであり本発明に比べて１桁悪い。
【００５９】
速度ベクトル（ｖｘ、ｖｙ）の絶対値を定量するためには倍率Ｃが必要であり、それを求める手段として、近似法と厳密法が存在する。倍率Ｃが１に等しいとする近似法では、Ｃ＝１であってＣは式から消えるためｘ’＝ｖｘｔ、y’＝ｖｙｔが成立する。そのため、前記で得られている飛行時間ｔと映像面２５のイオンの通過位置（ｘ’，y’）のデータから、速度ベクトル（ｖｘ、ｖｙ）が計算される。
【００６０】
ただし、撮像レンズ系１８は正イオンの飛行軌道を集束させたり発散させたりするレンズの役割を持つため、撮像レンズ系１８の影響が及ぶ領域を通過する際には、正イオンの速度ベクトルのｘ成分または速度ベクトルのｙ成分は一定ではなく、そのため等速運動から外れる。故に倍率Ｃは１から少しずれてくるため、ｘ’＝ｖｘｔ、y’＝ｖｙｔは厳密には成立しない。
【００６１】
正確な倍率Ｃの決定法は、押出し電極２０の中央に例えば直径５０μｍの噴出孔を設け、この噴出孔から較正用気体試料分子（酸素分子Ｏ２、窒素分子Ｎ２、硫化カルボニルＯＣＳ等。以下、較正用分子と記す）を高圧で真空中に噴出させて超音速分子線とし、較正用分子の速度を十分に小さくして速度のｘ成分ｖｘとｙ成分ｖｙをほとんど零にして、原点Ｏ付近で光イオン化し、生じた正イオンが解離して生成するイオン（Ｏ＋、Ｎ＋、ＣＯ＋等）の速度分布の映像面２５への円環状の投影像に対して、前記の手段を適用し当該速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像を求める手段である。
【００６２】
放射光などの真空紫外光を用いる場合には、較正用分子が１光子を吸収して、イオン化と解離を同時に起こせるので、較正用分子として窒素分子または酸素分子が利用できる。窒素分子または酸素分子が光イオン化して原子イオンＯ＋やＮ＋に解離する際に発生する運動エネルギーは既知で、従ってこれら原子イオンの速度のｘ成分やｙ成分の最大値も既知であるから、映像面２５への円環状の投影像の最大半径から倍率Ｃを厳密に計算することが可能である。ここで重要なのはイオン化前の中性の窒素分子又は酸素分子の速度のｘ成分ｖｘとｙ成分ｖｙを極力小さくして、親イオン（例えばＮ２＋）の投影像は原点Ｏ’に集束させ、娘イオン（例えばＮ＋）の投影像のみ円環状に広げられるという本手段の特徴である。
【００６３】
レーザー等の紫外光を用いる場合には、較正用分子が１光子を吸収しただけではイオン化と解離は同時に起こらないので、多光子イオン化を利用する必要がある。１台の紫外レーザーを用いるだけで、並進エネルギー放出の規定された円環状の信号を得る方法があるので、それを利用すると簡便である。校正用分子として硫化カルボニル（ＯＣＳ）を用いる。
【００６４】
前記の要領で噴出され充分冷却されたＯＣＳに、２２９．９ｎｍ（４３４９７ｃｍ−１）の紫外レーザーを集光して照射する。ＯＣＳはまずこの光子を１個吸収して励起され、電子基底状態の一酸化炭素分子ＣＯと硫黄励起原子Ｓに解離する。生成したＣＯは２２９．９ｎｍのレーザー光を２光子吸収して励起され、さらに１光子吸収してＣＯ＋となる。この過程のエネルギー収支を式で表すと、
ｈν−Ｄ０＝Ｅｅｘｃ（Ｓ）＋Ｅｔｒａｎｓ＋Ｂｊ（ｊ＋１）
となる。
【００６５】
この式で、ｈνはレーザー光のエネルギー４３４９７ｃｍ-1、Ｄ０は解離に必要なエネルギー２５１６４ｃｍ-1、Ｅｅｘｃ（Ｓ）は硫黄励起原子の励起エネルギー９２３９ｃｍ-1、Ｅｔｒａｎｓは解離における並進エネルギー放出、ＢはＣＯの回転定数１．９３１３ｃｍ-1、ｊはＣＯの回転量子数である。これらの定数を代入して整理すると、
Ｅｔｒａｎｓ(ｃｍ-1)＝９０９４−１．９３１３ｊ（ｊ＋１）
となる。
【００６６】
紫外レーザーの波長を精密に、±０．１ｎｍ程度調整してｊを指定することにより、画像として検出されるＣＯの回転状態を選択すれば、Ｅｔｒａｎｓを決定でき、この値と円環の半径から、倍率Ｃを求めることができる。なお、厳密には、レーザー光の波長を調整するとｈνも変化するが、この影響は極めて小さいので無視して差し支えない。
【００６７】
以上のようにして倍率Ｃが決められれば、速度（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の関数として中性ビーム７の３次元速度分布Ｎ（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）が求められる。また、３次元速度分布を３次元強度分布に変換し、この３次元強度分布曲線を速度成分の３つの変数の全範囲に渡って積分すれば中性ビーム７の強度（相対値）が計算される。一方、ビームモニタ８の膜厚計１６で測定した水晶板への試料の吸着速度から中性ビーム７の強度（絶対値）が計算でき、この強度（絶対値）を使って上記の３次元速度分布から取得済みの強度（相対値）を規格化することで、中性ビーム７の絶対流量を導き出すことは容易である。
【００６８】
フラーレンＣ６０を例として、７８５Ｋの熱分布（マックスウェル・ボルツマン速度分布）を持つ中性Ｃ６０ビームを原点Ｏから等方的に噴出させ、中性Ｃ６０ビームの速度分布の映像面２５上への投影像をシミュレーションで求めた結果を図６（ａ）に示す。
【００６９】
ここで、Ｃ６０の中性ビームを原点Ｏで時刻０にイオン化させ、生成した正イオンを原点Ｏから電場なしの条件で自由に拡散させ、前記した方法で特定済みの飛行時間ｔだけ経過した後に正イオンの位置座標を映像面２５に投影させる方法で、図６（ａ）の結果を得た。別のシミュレーション例として、原点Ｏからｘ軸正方向に拡がり角２０度で自由に拡散させ、飛行時間ｔだけ経過した後に正イオンの位置座標を映像面２５に投影させる方法で図６（ｂ）の結果を得た。図６（ｂ）の拡がり角を２０度に制限したことは、ｘ軸正方向に進行する高速中性Ｃ６０ビームを模擬的に生成したことに相当する。
【００７０】
次に、投影像図６（ｂ）に逆アーベル変換を施して得られた当該速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像を図７に示す。最後に図７において、速度分布を角度方向に渡り積分することで、中性Ｃ６０ビームの動径方向の速度分布、即ち「速さ分布（スピード分布）」を計算したものを図８に示した。
【００７１】
前記した関係式ｘ’＝Ｃｘｖｘｔ及びy’＝Ｃｙｖｙｔが厳密に成り立つのは、高速原子または高速分子が原点Ｏで光イオン化される場合である。しかし、イオン化は有限の領域で起こる。事実、現実の装置では前記したとおり、イオン化光１７はｘ軸方向で最大1ｍｍ、ｚ軸方向で最大1.5ｍｍの広がりを持つし、光の進行方向のｙ軸では原点Ｏを中心として前後２ｍｍの範囲で生成するイオンの寄与まで考慮しなければならない。
【００７２】
本発明の特長として、原点を中心とした１辺が４ｍｍの立方体の領域の中でイオン化が起こったとしても（最悪のケース）、撮像レンズ系１８によって中性ビーム７の速度分布がほぼ正確に映像面２５へ投影されるという特長を有する。この特性を叶えるための適正な電圧値は必ずしも限定されないが、その典型例は、押出し電極２０が＋５００Ｖ、引込み電極２１が＋２４５Ｖ、飛行管電極２２と第１段飛行管２３と第２段飛行管２４が−３５０Ｖである。
【００７３】
中性ビーム７の速度ベクトルの分布が円筒対称ではない一般的な場合には、逆アーベル変換を作用させても中性ビーム７の速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像を求めることはできない。しかしこの場合でも、高速原子又は高速分子が所持していた速度ベクトル（ｖｘ、ｖｙ）と飛行時間ｔを組合せた（ｖｘ、ｖｙ、ｔ）のデータセットを、映像面２５に到達したすべての正イオンに対して求めることができれば、中性ビーム７の３次元速度の分布が完全に決められる。
【００７４】
次に、図５に示すイオン生成・輸送手段３ａでは、前記のイオン生成・輸送手段３とは異なるイオン生成手段を説明している。
【００７５】
最初に、撮像レンズ系１８の電圧極性を反転させ、押出し電極２０が-５００Ｖ、引込み電極２１が-２４５Ｖ、飛行管電極２２と第１段飛行管２３と第２段飛行管２４が＋３５０Ｖと設定する。次に光源からのイオン化光１７である紫外光又は真空紫外光を、原点Ｏ付近ではなく押出し電極２０に集光し照射することで、光電効果で電子を発生させる。押出し電極２０から飛び出した電子は、上記電圧によって発生される静電場によって加速され、中性ビーム７に含まれる気体状の試料原子または分子に電子付着して負イオンを生成する。生成した負イオンは中性ビーム７から引き出され、ｚ軸正方向に向けて加速・集束される。
【００７６】
以下は前記の正イオン生成の場合で説明した方法と全く同じ方法で、映像面２５を通過する負イオンの位置座標データ（ｘ’，y’）の集合から中性ビーム７の３次元速度分布を決定することが可能である。なお、試料原子または分子とは相互作用せずに中性ビーム７を通り抜けた電子は、第１段飛行管２３の内部に設けた磁石２６によって曲げられて、第２段飛行管２４の内部には入れず、従って映像面２５までは到達しない。
【００７７】
このように、光イオン化過程ではなく電子付着過程を利用すれば、正イオンを生成し送出する場合と類似の条件で負イオンを生成し送出する手段を適用できる。負イオンを利用する本手段は、正イオンを生成しにくい原子または分子や、正イオンを生成しても１m秒以内の寿命で親イオンが分解して多種類の娘イオンを生成してしまうような分子などを対象として、これらの原子または分子の中性ビームの３次元速度分布を求める目的に極めて有効である。
【００７８】
再び図１と図２を参照して位置敏感型検出器４及び位置解析コンピュータ５を説明する。
【００７９】
固体又はイオン液体試料に中性ビーム送出手段２とイオン生成・輸送手段３を適用することで中性ビーム７から引き出され、ｚ軸正方向に向けて加速された正イオンは、第２段飛行管２４の終端に配置されたクアンターテクノロジー社製の位置敏感型検出器４に高速で衝突する。
【００８０】
位置敏感型検出器４は２段又は３段のマイクロチャネルプレートと抵抗陽極型エンコーダで構成される。１個の正イオンが初段のマイクロチャネルプレートに衝突し、衝突点から発生する２次電子は後段のマイクロチャネルプレートで加速増倍され、最終的に１０６個以上の電子流として取り出される。その後、抵抗陽極型エンコーダの４箇所の頂点にその電子流が４分配され、電気信号として真空装置外部に導かれ、位置解析コンピュータ５で演算を施され、最終的に正イオンが最初に位置敏感型検出器４に衝突した位置の情報が取り出される。ここに記載した位置敏感型検出器４と位置解析コンピュータ５の機能は公知である。
【００８１】
位置敏感型検出器４のマイクロチャネルプレートはｘ’−y’平面に乗っており、その中心は原点Ｏ’に一致する。つまり、位置敏感型検出器４は、その中心を通る法線がｚ軸に一致しｘ−y平面に平行になるように設置されている。よって、前記で定義導入した映像面２５と同じ役割を果たしている。従って、第２段飛行管２４の終端における正イオンの位置座標データ（ｘ’，y’）を位置敏感型検出器４と位置解析コンピュータ５を用いて収集記録し、位置敏感型検出器４に衝突するすべての正イオンの位置座標データ（ｘ’，y’）の集合から、中性ビーム７中の高速原子又は高速分子の速度分布の位置敏感型検出器４への投影像が求められ、中性ビーム発生源６からの中性ビーム噴出条件がｘ軸の回りに対称的で、中性ビーム７の３次元速度分布がｖｘ軸に関して円筒対称であれば、上記投影像に逆アーベル変換を作用させることによって、中性ビーム７の３次元速度分布が決定される。
【００８２】
試料中性ビーム中の分子がイオン化されて生成した親イオンが娘イオンに解離する場合には、反跳効果のため中性ビームの速度分布の投影画像がぼける恐れがある。これを避ける手段として、親イオンのみの投影画像を抽出する技術は複数ある。
【００８３】
第一の方法は、映像面２５を通過するすべての正イオンの位置座標（ｘ’，y’）と飛行時間ｔのデータセット（ｘ’，y’，ｔ）を集積し、その中から飛行時間ｔが親イオンの飛行時間に該当するデータセットだけに数値処理を施せばよい。しかしこの方法は、データセット数が膨大で１日（１２時間）の測定でも巨大容量の記憶装置（２ＧＢのハードディスク）が必要なこと、位置敏感型検出器４と位置解析コンピュータ５に１ｎ秒以下の時間分解機能を付与する必要があり計測機器が大掛かりになること、との２つの短所がある。
【００８４】
妥当な容量の記憶装置と小規模な計測機器とで済ませる技術として、図９に示すとおり、第２段飛行管２４の後半部にポテンシャルスイッチ２７と追返しグリッド２８を設けて、親イオンの速度分布のみを取得する手段がある。
【００８５】
即ち、押出し電極２０に高電圧パルスを印加して正イオンを飛行管に向けて送出し、質量数の異なるイオンは異なる飛行時間を持つことを利用して、同じ質量数のイオンのみが狭い空間領域に集まったイオンのバンチを作る。図１０（ｂ）のイオン軌道解析の結果が示すように、娘イオンのバンチは、追返しグリッド２８にかけた正の電圧で追い返されて位置敏感型検出器４には到達できない。
【００８６】
一方、親イオンについては、そのバンチがポテンシャルスイッチ２７内を飛行中のタイミングを見計らってポテンシャルスイッチ２７に高電圧パルスを印加して親イオンの位置エネルギーを持ち上げる。その結果、親イオンのバンチが追返しグリッド２８まで飛来した際の運動エネルギーを十分に大きくすることができ、図１０（ａ）のイオン軌道解析の結果のとおり、親イオンのバンチは追返しグリッド２８を通過できることになる。
【００８７】
以上の手段を用いれば、高速分子から生成した親イオンの位置座標データ（ｘ’,ｙ’）のみ集積することで、投影画像のボケの影響を受けない正確な中性ビームの３次元速度分布が取得できる。
【実施例】
【００８８】
本発明によるイオン画像検出に基づいた中性原子ビームまたは中性分子ビームの速度分布測定手段、及び装置の実施例について説明する。
【００８９】
(実施例１)
図１に示すイオン画像検出による中性ビーム速度分布の測定装置１において、固体試料としてガリウム試料や砒素試料を用い、試料充填容器１０を加熱して試料を昇華させ中性原子ビームを発生させる。
【００９０】
膜厚計１６の位置に清浄表面を持つ半導体基板を置き、中性原子ビーム７を半導体基板に向けて指向させ、半導体基板に到達した原子が高機能の半導体薄膜を形成するよう中性原子ビーム７の流速や３次元速度分布を精度よく制御する。
【００９１】
(実施例２)
図１に示すイオン画像検出による中性ビーム速度分布の測定装置１において、固体試料としてフラーレン試料を用い、試料充填容器１０を加熱して試料を昇華させ中性フラーレンビームを発生させる。膜厚計１６の位置に清浄表面を持つ半導体基板を置き、中性フラーレンビームを半導体基板に向けて指向させ、半導体基板に吸着したフラーレンが高機能電子素子を形成するよう中性フラーレンビームの流速や３次元速度分布を精度よく制御する。
【００９２】
本実施例の実行例として、位置敏感型検出器４で実測した中性Ｃ６０ビームの速度分布の投影像を図１１（ａ）に、数値処理によって得られた速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像の結果を図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）の投影像は、シミュレーションで求めた前記図６（ｂ）の投影像によく似ており、この結果からも、位置敏感型検出器４に衝突する正イオンの位置座標データの集合は、ｘ軸正方向に進行する高速中性ビーム７の速度分布を、映像面２５に投影した画像に一致することが証明される。
【００９３】
(実施例３)
図１に示すイオン画像検出による中性ビーム速度分布の測定装置１において、中性ビーム送出手段２を取り除き、高速原子線発生器（ＦＡＢ）を設置し、当該発生器から直進性の高いＳＦ６やＯ２の高速中性分子ビームを噴射させる。
【００９４】
膜厚計１６の代わりに、フォトレジスト膜の超微細パターンが形成された半導体基板を置き、高速中性分子ビームで微細加工を行う。その際に、本発明の中性ビーム速度分布の測定装置１を利用して、アスペクト比の高いパターンを形成するように高速中性分子ビームの流速や角度広がりを精度よく評価する。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明によれば、固体試料または溶液試料の蒸発／昇華によって発生させた原子または分子の中性ビームに光を照射して、原子または分子をイオン化し、生成したイオンを画像検出することで、原子または分子の中性ビームの３次元速度分布を計測し、中性原子ビームや中性分子ビームの流速、流量、角度分布を厳密に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】実施例に係る３次元速度分布測定装置の側面図を示す。
【００９７】
【図２】図１の向かって左側の方向から見た正面図を示す。
【００９８】
【図３】試料充填容器を示す。
【００９９】
【図４】中性ビーム送出手段の別実施例を示す。
【０１００】
【図５】イオン生成・輸送手段の別実施例を示す。
【０１０１】
【図６】中性Ｃ６０ビームの速度分布の映像面上への投影像をシミュレーションで求めた結果を示す。
【０１０２】
【図７】図６（ｂ）の投影像図に逆アーベル変換を施して得られた速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像を示す。
【０１０３】
【図８】図７の中性Ｃ６０ビームの速度分布を角度方向に渡り積分して得られたビームの速さ分布を示す。
【０１０４】
【図９】実施例の要部の詳細を示す。
【０１０５】
【図１０】実施例におけるイオン軌道解析の結果を示す。
【０１０６】
【図１１】図１１（ａ）に位置敏感型検出器４で実測した中性Ｃ６０ビームの速度分布の投影像を示し、図１１（ｂ）に数値処理によって得られた速度分布のｘ−ｙ平面に関する断層像の結果を示す。
【符号の説明】
【０１０７】
１                        測定装置
２，２ａ                  中性ビーム送出手段
３，３ａ                  イオン生成・輸送手段
４                        位置敏感型検出器
５                        位置解析コンピュータ
６                        中性ビーム発生源
７                        中性ビーム
８                        ビームモニタ
９                        ヒーター
９ｂ                      フィラメント
１０                      試料充填容器
１０ａ、１０ｂ            石英管
１０ｃ                    石英円板
１０ｄ                    試料
１０ｅ                    支柱
１０ｆ                    溝
１１                      クロメル・アルメル熱電対
１２                      熱遮蔽円筒
１３                      偏向板電極
１４、１５                円孔
１６                      膜厚計
１７                      イオン化光
１８                      撮像レンズ系
１９                      イオン飛行管
２０                      押出し電極
２１                      引込み電極
２２                      飛行管電極
２３                      第１段飛行管
２４                      第２段飛行管
２５                      映像面
２６                      磁石
２７                      ポテンシャルスイッチ
２８                      追返しグリッド
【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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