JPH07211496A - 中性ビーム荷電変換装置 - Google Patents
中性ビーム荷電変換装置Info
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- JPH07211496A JPH07211496A JP6014862A JP1486294A JPH07211496A JP H07211496 A JPH07211496 A JP H07211496A JP 6014862 A JP6014862 A JP 6014862A JP 1486294 A JP1486294 A JP 1486294A JP H07211496 A JPH07211496 A JP H07211496A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高エネルギー、大ビーム量のビームを高効率
で荷電変換する装置を提供する。 【構成】 高速原子線等の中性粒子線において、中性粒
子の電荷を変換させる装置のうち、高速ガス流体３中を
中性粒子ビーム１を通過させて電荷の変換を行い荷電粒
子ビーム２とする。
で荷電変換する装置を提供する。 【構成】 高速原子線等の中性粒子線において、中性粒
子の電荷を変換させる装置のうち、高速ガス流体３中を
中性粒子ビーム１を通過させて電荷の変換を行い荷電粒
子ビーム２とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体製造等に使用す
る、高速原子線等の高速中性粒子ビームを変換し荷電粒
子ビームとする中性ビーム荷電変換装置に関するもので
ある。
る、高速原子線等の高速中性粒子ビームを変換し荷電粒
子ビームとする中性ビーム荷電変換装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来この種の荷電変換装置には、図２に
示すガスセルと呼ばれる装置が用いられていた。ガスセ
ルは、真空容器内に粒子ビームが通過する穴８のあいた
ガス容器６を入れ、そのガス容器６内を中性粒子ビーム
１を通して、ガス導入パイプから導入されたガス３と接
触させ、荷電変換するものである。又、金属蒸気セルと
呼ばれるガスセルのガスとして、Ｌｉ等のアルカリ金属
蒸気を使ってその蒸気内を中性粒子ビーム１を通して中
性粒子と金属蒸気を接触させ荷電変換するものがあっ
た。
示すガスセルと呼ばれる装置が用いられていた。ガスセ
ルは、真空容器内に粒子ビームが通過する穴８のあいた
ガス容器６を入れ、そのガス容器６内を中性粒子ビーム
１を通して、ガス導入パイプから導入されたガス３と接
触させ、荷電変換するものである。又、金属蒸気セルと
呼ばれるガスセルのガスとして、Ｌｉ等のアルカリ金属
蒸気を使ってその蒸気内を中性粒子ビーム１を通して中
性粒子と金属蒸気を接触させ荷電変換するものがあっ
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスセ
ルは真空容器内にあるガス容器６にガス３を導入するた
め、ガスセルからの圧力拡散による真空度の悪化を防ぐ
目的でガス容器６の穴８を小さくしていた。そのためガ
スセル内のガス粒子数や中性粒子数が多く得られなかっ
た。また金属蒸気セルはガスセルと同じように真空度保
持のためビーム量が制限されたり、扱うアルカリ金属が
化学的に活性であるので容器本体をいためたり、取扱い
に注意する必要があった。
ルは真空容器内にあるガス容器６にガス３を導入するた
め、ガスセルからの圧力拡散による真空度の悪化を防ぐ
目的でガス容器６の穴８を小さくしていた。そのためガ
スセル内のガス粒子数や中性粒子数が多く得られなかっ
た。また金属蒸気セルはガスセルと同じように真空度保
持のためビーム量が制限されたり、扱うアルカリ金属が
化学的に活性であるので容器本体をいためたり、取扱い
に注意する必要があった。
【０００４】また最近公開された特開平５−１２９０９
６号公報の分子ビームを利用した電荷中和方法によれ
ば、分子ビームの場合には分子数が少ないため荷電変換
効率が悪く、大量のビームの荷電変換は困難である。
又、上述の方法では大量に中性ビームを荷電ビームに変
換する場合、装置が大型化してしまう。以上のような欠
点が従来の種々の荷電変換装置にあった。
６号公報の分子ビームを利用した電荷中和方法によれ
ば、分子ビームの場合には分子数が少ないため荷電変換
効率が悪く、大量のビームの荷電変換は困難である。
又、上述の方法では大量に中性ビームを荷電ビームに変
換する場合、装置が大型化してしまう。以上のような欠
点が従来の種々の荷電変換装置にあった。
【０００５】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、高エネルギー、大ビーム量の中性ビームを高効率で
荷電変換する装置を提供することを目的とする。
で、高エネルギー、大ビーム量の中性ビームを高効率で
荷電変換する装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の荷電変換装置
は、高速原子線等の中性粒子線において、中性粒子の電
荷を変換させる装置のうち、高速ガス流体中を中性粒子
ビームを通過させて電荷の変換を行い荷電粒子ビームと
することを特徴とする。
は、高速原子線等の中性粒子線において、中性粒子の電
荷を変換させる装置のうち、高速ガス流体中を中性粒子
ビームを通過させて電荷の変換を行い荷電粒子ビームと
することを特徴とする。
【０００７】
【作用】高速ガス流体中を中性粒子ビームを通過させ
て、荷電変換することにより、中性粒子ビームを荷電粒
子ビームに変換するので、高速ガス流体がガス容器の穴
からガス容器外に発散するという問題を防止することが
できる。このため、例えばガス容器の穴を大きくしてガ
ス流体と中性粒子ビームとの接触面積を大きくすること
により、荷電変換の高効率化が達成される。
て、荷電変換することにより、中性粒子ビームを荷電粒
子ビームに変換するので、高速ガス流体がガス容器の穴
からガス容器外に発散するという問題を防止することが
できる。このため、例えばガス容器の穴を大きくしてガ
ス流体と中性粒子ビームとの接触面積を大きくすること
により、荷電変換の高効率化が達成される。
【０００８】
【実施例】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明を用いたビ
ーム荷電変換装置の一例である。符号１は荷電変換前の
ビーム、符号２は荷電変換後のビーム、符号３は荷電変
換前のビーム１と接触して荷電変換するガス等の高速流
体、符号４はガス３のリザーバタンクである。符号５は
ガス３を超音速流とし、ガス３の速度成分をビーム１と
垂直な方向成分にするための末広ノズルであり、符号６
はビーム荷電変換装置の容器、符号７はノズル５から出
たガス３を排気する真空ポンプである。ノズル５の形状
及びリザーバタンク４のガス圧を適当な値に選べばノズ
ル５から出るガス３は超音速となり、容器６にあいてい
るビーム１，２の通過用の穴８から出て行くことが少な
くなり、容器６の外側との圧力差を大きくとることがで
きる。
ーム荷電変換装置の一例である。符号１は荷電変換前の
ビーム、符号２は荷電変換後のビーム、符号３は荷電変
換前のビーム１と接触して荷電変換するガス等の高速流
体、符号４はガス３のリザーバタンクである。符号５は
ガス３を超音速流とし、ガス３の速度成分をビーム１と
垂直な方向成分にするための末広ノズルであり、符号６
はビーム荷電変換装置の容器、符号７はノズル５から出
たガス３を排気する真空ポンプである。ノズル５の形状
及びリザーバタンク４のガス圧を適当な値に選べばノズ
ル５から出るガス３は超音速となり、容器６にあいてい
るビーム１，２の通過用の穴８から出て行くことが少な
くなり、容器６の外側との圧力差を大きくとることがで
きる。
【０００９】図１（ａ）は、ガス末広ノズル５の途中
に、ビーム１，２の通過用の穴８Ａを設けたものであ
る。係る構造により、ガスリザーバタンク４よりガスノ
ズル５で拡張高速化したガス流体中を中性粒子ビーム１
を通過させて電荷の変換を行い、荷電粒子ビーム２とす
ることができる。
に、ビーム１，２の通過用の穴８Ａを設けたものであ
る。係る構造により、ガスリザーバタンク４よりガスノ
ズル５で拡張高速化したガス流体中を中性粒子ビーム１
を通過させて電荷の変換を行い、荷電粒子ビーム２とす
ることができる。
【００１０】図１（ｂ）は、ガスリザーバタンク４のノ
ズルより、容器６内にガス流体を自由噴流としたもので
ある。ビーム１，２の通過用の穴８Ｂは、容器６の上下
面に設けられている。係る構造により、ガスリザーバタ
ンク４のノズル４Ｂより自由噴流となった高速のガス流
体中を、容器６の穴８Ｂより中性粒子ビーム１を通過さ
せて電荷の変換を行い、荷電粒子ビーム２とすることが
できる。
ズルより、容器６内にガス流体を自由噴流としたもので
ある。ビーム１，２の通過用の穴８Ｂは、容器６の上下
面に設けられている。係る構造により、ガスリザーバタ
ンク４のノズル４Ｂより自由噴流となった高速のガス流
体中を、容器６の穴８Ｂより中性粒子ビーム１を通過さ
せて電荷の変換を行い、荷電粒子ビーム２とすることが
できる。
【００１１】図１（ｃ）は、容器６の内部にガス末広ノ
ズル５を設け、拡張高速化したガス流体と容器６の穴８
Ｃから入射する中性粒子ビーム１と荷電変換して、荷電
粒子ビーム２を形成し穴８Ｃより出射するようにしたも
のである。
ズル５を設け、拡張高速化したガス流体と容器６の穴８
Ｃから入射する中性粒子ビーム１と荷電変換して、荷電
粒子ビーム２を形成し穴８Ｃより出射するようにしたも
のである。
【００１２】たとえばノズルの絞り部断面積をＳ１、ノ
ズル拡大部面積をＳ２とし、 Ｓ２／Ｓ１＝３０ リザーバータンク４の圧力を１３００Ｐａ、ガスをＡｒ
とするとノズル５から放出したＡｒガスは圧力が０．７
４Ｐａのマッハ数７程度の超音速の噴流となり、容器６
内部で指向性を持つ。Ａｒガス３は中性粒子ビーム１と
衝突して荷電変換した後、真空ポンプ７で排気される。
この構造による効果として、容器６の外部を高真空に保
持したまま、容器６内部で中性粒子ビームとＡｒガスと
の衝突を高い割合で達成できる。そのため荷電粒子ビー
ムを多量に得ることができる。
ズル拡大部面積をＳ２とし、 Ｓ２／Ｓ１＝３０ リザーバータンク４の圧力を１３００Ｐａ、ガスをＡｒ
とするとノズル５から放出したＡｒガスは圧力が０．７
４Ｐａのマッハ数７程度の超音速の噴流となり、容器６
内部で指向性を持つ。Ａｒガス３は中性粒子ビーム１と
衝突して荷電変換した後、真空ポンプ７で排気される。
この構造による効果として、容器６の外部を高真空に保
持したまま、容器６内部で中性粒子ビームとＡｒガスと
の衝突を高い割合で達成できる。そのため荷電粒子ビー
ムを多量に得ることができる。
【００１３】ここで高速ガス流体の分子速度は、超音速
（マッハ数Ｍで、５＞Ｍ＞１．２）又は極超音速（マッ
ハ数Ｍで、Ｍ＞５）であることが好ましい。気体の流速
ａは、 ａ＝（ＫＲＴ）1/2 但し、Ｋ：比熱比、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度 Ａｒガスの場合、 Ｋ＝１．６５８、 Ｒ＝２０８．１５、 Ｔ＝２０（Ｋ
°） として、 超音速 １００〜４１５ｍ／ｓ 極超音速 ＞４１５ｍ／ｓ 程度の流速が必要である。前述のようにノズルの形状、
ガス圧力等を適宜選択することにより、超音速ノズル、
極超音速ノズルを製作することができる。広範囲の流速
のノズルを準備することにより、荷電変換の対象となる
多様な中性粒子ビームのエネルギー（速度）に合ったガ
ス流体速度を選択することが可能となる。これにより高
エネルギー粒子の荷電変換の確率の制御性を高め、変換
効率を上げることができる。
（マッハ数Ｍで、５＞Ｍ＞１．２）又は極超音速（マッ
ハ数Ｍで、Ｍ＞５）であることが好ましい。気体の流速
ａは、 ａ＝（ＫＲＴ）1/2 但し、Ｋ：比熱比、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度 Ａｒガスの場合、 Ｋ＝１．６５８、 Ｒ＝２０８．１５、 Ｔ＝２０（Ｋ
°） として、 超音速 １００〜４１５ｍ／ｓ 極超音速 ＞４１５ｍ／ｓ 程度の流速が必要である。前述のようにノズルの形状、
ガス圧力等を適宜選択することにより、超音速ノズル、
極超音速ノズルを製作することができる。広範囲の流速
のノズルを準備することにより、荷電変換の対象となる
多様な中性粒子ビームのエネルギー（速度）に合ったガ
ス流体速度を選択することが可能となる。これにより高
エネルギー粒子の荷電変換の確率の制御性を高め、変換
効率を上げることができる。
【００１４】高速ガス流体の自由分子流状態は、 ガスの平均自由行程（λ）／ノズル代表寸法（Ｌ）＞１ と定義されている。λ／Ｌはクヌーセン数と呼ばれ、ク
ヌーセン数が１以上の高速ガス流体が自由分子流状態で
あることが荷電変換には好ましい。 平均自由行程 λ＝２．３×１０-20 Ｔ／Ｐａ2（ｃ
ｍ） 但し、Ｔ：温度（°Ｋ）、Ｐ：圧力（Ｔｏｒｒ）、ａ：
分子直径（ｃｍ） なので、Ａｒガスの場合、 Ｔ＝２０（°Ｋ）、Ｐ＝１×１０-5（Ｔｏｒｒ） ａ＝
３．６７×１０-8（ｃｍ） として、 λ＞３４（ｃｍ） であると自由分子流状態となる。
ヌーセン数が１以上の高速ガス流体が自由分子流状態で
あることが荷電変換には好ましい。 平均自由行程 λ＝２．３×１０-20 Ｔ／Ｐａ2（ｃ
ｍ） 但し、Ｔ：温度（°Ｋ）、Ｐ：圧力（Ｔｏｒｒ）、ａ：
分子直径（ｃｍ） なので、Ａｒガスの場合、 Ｔ＝２０（°Ｋ）、Ｐ＝１×１０-5（Ｔｏｒｒ） ａ＝
３．６７×１０-8（ｃｍ） として、 λ＞３４（ｃｍ） であると自由分子流状態となる。
【００１５】本実施例の中性ビーム荷電変換装置は通常
の荷電変換ガスセルのガス導入方法と異なり、ノズルを
使用することでガス容器外の真空度を従来のものより悪
化させずに、中性粒子の通過する穴を拡大でき、荷電粒
子ビームを従来のものより高効率、多量に得ることがで
きる。これはノズル寸法を適当な値に選ぶことにより、
ノズル部から出た流体の速度をビーム通過穴方向の速度
成分をほとんど持たないようにすることにより達成され
る。
の荷電変換ガスセルのガス導入方法と異なり、ノズルを
使用することでガス容器外の真空度を従来のものより悪
化させずに、中性粒子の通過する穴を拡大でき、荷電粒
子ビームを従来のものより高効率、多量に得ることがで
きる。これはノズル寸法を適当な値に選ぶことにより、
ノズル部から出た流体の速度をビーム通過穴方向の速度
成分をほとんど持たないようにすることにより達成され
る。
【００１６】またノズルからの高速流は、断熱膨張を行
うため、同じ圧力のガスセル容器内密度に比べ高密度の
高速流体、つまり粒子数の多い高速流体を達成できるた
め、荷電変換確率は向上する。高速流体とすることでガ
ス容器と真空容器の圧力差を充分大きくとることができ
る。つまりガス容器内に容器外の真空度を悪化させない
大量のガスを導入できる。ここで荷電変換用穴付近を通
過したガス容器内のガスはガス容器用の真空ポンプで排
気したり、循環して再利用して、ガスのビーム系全体の
真空容器への拡散を防止する。
うため、同じ圧力のガスセル容器内密度に比べ高密度の
高速流体、つまり粒子数の多い高速流体を達成できるた
め、荷電変換確率は向上する。高速流体とすることでガ
ス容器と真空容器の圧力差を充分大きくとることができ
る。つまりガス容器内に容器外の真空度を悪化させない
大量のガスを導入できる。ここで荷電変換用穴付近を通
過したガス容器内のガスはガス容器用の真空ポンプで排
気したり、循環して再利用して、ガスのビーム系全体の
真空容器への拡散を防止する。
【００１７】従来の荷電変換装置ではガス容器内のガ
ス、金属蒸気は容器のビーム通過用穴に対してランダム
な速度を持っているため、拡散し、真空容器内圧力を悪
化する。本実施例の装置では、高効率の荷電変換がで
き、多量のビームを得ることができる。特に、高エネル
ギーの中性粒子の変換に有効で、従来難しかった数Ｍｅ
Ｖ程度のビームをイオン化することも可能となる。また
ノズルのサイズを小さくすることも可能で、それに準じ
て荷電変換装置も小型化できる。
ス、金属蒸気は容器のビーム通過用穴に対してランダム
な速度を持っているため、拡散し、真空容器内圧力を悪
化する。本実施例の装置では、高効率の荷電変換がで
き、多量のビームを得ることができる。特に、高エネル
ギーの中性粒子の変換に有効で、従来難しかった数Ｍｅ
Ｖ程度のビームをイオン化することも可能となる。また
ノズルのサイズを小さくすることも可能で、それに準じ
て荷電変換装置も小型化できる。
【００１８】尚、以上の説明はＡｒガス等を用いた高速
ガス流体について説明したが、高速ガス流体としてはＮ
ａ，Ｋａ，Ｃｓ等の金属蒸気、或いは液体窒素等の液体
からなるものを用いてもよい。多様な種類の高速流体を
用いることにより、多様な元素、多様なエネルギーの中
性粒子ビームの荷電変換に対応することができる。この
ように本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実
施例が可能である。又、各図中同一符号は同一又は相当
部分を示す。
ガス流体について説明したが、高速ガス流体としてはＮ
ａ，Ｋａ，Ｃｓ等の金属蒸気、或いは液体窒素等の液体
からなるものを用いてもよい。多様な種類の高速流体を
用いることにより、多様な元素、多様なエネルギーの中
性粒子ビームの荷電変換に対応することができる。この
ように本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実
施例が可能である。又、各図中同一符号は同一又は相当
部分を示す。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、荷
電変換装置外部の真空度悪化を防止し多量で高効率のビ
ーム荷電変換を小型装置で達成できる。特に高エネルギ
ーの中性粒子ビームのイオン化も可能であり数ＭｅＶ程
度のビームにも適用可能である。本発明の荷電変換装置
によれば、ビーム量測定が困難な電気的に中性な粒子か
らイオンにして電流を測定できる。半導体製造において
イオン注入装置のチャージアップ対策として中性粒子を
使用した際、イオン電流の測定等で産業上大きな効果が
期待できる。
電変換装置外部の真空度悪化を防止し多量で高効率のビ
ーム荷電変換を小型装置で達成できる。特に高エネルギ
ーの中性粒子ビームのイオン化も可能であり数ＭｅＶ程
度のビームにも適用可能である。本発明の荷電変換装置
によれば、ビーム量測定が困難な電気的に中性な粒子か
らイオンにして電流を測定できる。半導体製造において
イオン注入装置のチャージアップ対策として中性粒子を
使用した際、イオン電流の測定等で産業上大きな効果が
期待できる。
【図１】本発明の一実施例のビーム荷電変換装置の説明
図であり、（ａ）は末広ノズルの途中にビーム通過用の
穴を設けたものであり、（ｂ）はリザーバタンクのノズ
ルよりガス流体を自由噴流としたものであり、（ｃ）は
容器の内部に末広ノズルを設けたものである。
図であり、（ａ）は末広ノズルの途中にビーム通過用の
穴を設けたものであり、（ｂ）はリザーバタンクのノズ
ルよりガス流体を自由噴流としたものであり、（ｃ）は
容器の内部に末広ノズルを設けたものである。
【図２】従来のビーム荷電変換装置の説明図である。
１ 荷電変換前のビーム ２ 荷電変換後のビーム ３ 高速ガス流体 ４ リザーバタンク ５ 末広ノズル ６ 容器 ７ 真空ポンプ ８ 穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｈ０５Ｈ 5/06 9014−2Ｇ
Claims (6)
- 【請求項１】 高速原子線等の中性粒子線において、中
性粒子の電荷を変換させる装置のうち、高速ガス流体中
を中性粒子ビームを通過させて電荷の変換を行い荷電粒
子ビームとすることを特徴とする中性ビーム荷電変換装
置。 - 【請求項２】 上記高速ガス流体は、ノズルから噴出す
る高速自由噴流によるものであることを特徴とする請求
項１記載の中性ビーム荷電変換装置。 - 【請求項３】 上記高速ガス流体は、超音速ノズルから
流出する超音速ガス流体であることを特徴とする請求項
１記載の中性ビーム荷電変換装置。 - 【請求項４】 上記高速ガス流体は、極超音速ノズルか
ら流出する極超音速ガス流体であることを特徴とする請
求項１記載の中性ビーム荷電変換装置。 - 【請求項５】 上記超音速ノズル又は極超音速ノズルを
使用して加速及び膨張された高速ガス流体又は自由噴流
を自由分子流状態として、上記中性粒子ビームに対して
電荷の変換を行うことを特徴とする請求項２乃至４のい
ずれか一項に記載の中性ビーム荷電変換装置。 - 【請求項６】 前記ノズルによって加速させる高速ガス
流体は、液体又は金属蒸気からなるものであることを特
徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の中性ビ
ーム荷電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6014862A JPH07211496A (ja) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | 中性ビーム荷電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6014862A JPH07211496A (ja) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | 中性ビーム荷電変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07211496A true JPH07211496A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11872842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6014862A Pending JPH07211496A (ja) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | 中性ビーム荷電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07211496A (ja) |
-
1994
- 1994-01-13 JP JP6014862A patent/JPH07211496A/ja active Pending
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