CN104736995A - 粒子束形成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够形成粒子束，并对形成的粒子束的空间分布进行评价且控制的粒子束形成装置。一种粒子束形成装置，其从粒子分散于气体的粒子源形成线状或者圆锥状的粒子束，其具有减压容器(12)、粒子束生成装置(3)及粒子束评价装置，其中，所述减压容器(12)的内部被减压；所述粒子束生成装置(3)的一端配置在减压容器(12)外，另一端配置在减压容器(12)内，获取减压容器(12)外的粒子源(2)，将粒子束导入减压容器(12)内；所述粒子束评价装置对减压容器(12)内的粒子束的空间分布进行评价。优选地，该粒子束评价装置具备光照射装置、散射光检测装置(14)及信号处理装置(15)，其中，所述光照射装置对粒子束照射光；所述散射光检测装置(14)检测向粒子束照射的光与粒子接触而产生的散射光；所述信号处理装置(15)对散射光检测装置(14)输出的与该散射光的强度及/或频率相对应的信号进行记录并处理。

Description

粒子束形成装置
技术领域
本发明涉及一种适合分析大气中的颗粒状物质(悬浮颗粒)等的粒子束形成装置。
背景技术
大气中的颗粒状物质(悬浮颗粒)对健康的影响备受关注，正在从各方面研究开发对其状态或成分等进行分析的装置。
作为分析粒子成分的装置，近年来，开发了悬浮颗粒质量分析仪，其用于大气等的颗粒状物质的成分分析。悬浮颗粒质量分析仪，是通过从测量对象空间将含有粒子的气体吸入真空容器内，捕集粒子并加热气化，来测量粒子成分的装置。在这样的悬浮颗粒质量分析仪中，需要将粒子引导至真空容器，还要将该粒子集中于容器内的捕集/加热气化部。作为实现其的装置，例如可以使用如图16所示的粒子束生成装置(参见专利文献1)。该粒子束形成装置100由管状结构体118构成，该管状结构体118在内部具有孔板结构的前节流装置114以及在其后段具有至少一个粒子束形成用的第一节流装置120。管状结构体118从气体中分散的粒子源112中获取粒子，通过内部的前节流装置114和第一节流装置120的气流控制，使粒子流成形为直线状。即与粒子112b相比，具有大的侧方扩展速度的气体成分112a滞留在管状结构体118或真空室132内，或从真空室132的排气口134排出，另一方面，粒子112b保持直线移动性，从设置于真空室132的分隔壁130上的孔作为粒子束射出。通过使该粒子束碰撞设置于质量分析部上的捕集器来收集粒子，通过将粒子加热气化并引导至检测器内，使得能够进行大气中的粒子的质量分析，能够分析粒子的化学成分。
另外，这样的技术不仅利用于粒子化学成分分析，也利用于半导体制造等领域。例如在专利文献2中，使用专利文献1的技术，在半导体基板上为了使其功能或性质变化，喷雾用于改良半导体表面性质的含有纳米粒子的气体，从而堆积特定粒子。这样将粒子导入(真空)容器内并使其聚集于固定范围内的技术在测量或制造技术中非常重要。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5,270,542号说明书
专利文献2：美国专利第6,924,004号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
在如图16所示的粒子束生成装置中，说明了使粒子束相对于行进方向并不向侧方扩展，但实际上粒子束相对于行进方向以某种扩展向侧方射出。由于该扩展呈以射出位置为顶点的圆锥状，因此根据捕集器的位置和大小，有可能无法捕集全部导入粒子。另外，如专利文献2那样在应用于半导体制造的情况下，考虑到无法把握粒子束的空间分布，难以控制被导入粒子的堆积量，因此产生制造的产出率降低等问题。
本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种能够形成粒子束，并对形成的粒子束的空间分布进行评价且控制的粒子束形成装置。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的粒子束形成装置从粒子分散于气体中的粒子源形成线状或者圆锥状的粒子束，其特征在于，具备减压容器、粒子束生成装置及粒子束评价装置，其中，所述减压容器的内部被减压，所述粒子束生成装置的一端配置在所述减压容器外，另一端配置在所述减压容器内，获取所述减压容器外的粒子源，将粒子束导入所述减压容器内，所述粒子束评价装置对所述减压容器内的所述粒子束的空间分布进行评价。
在本发明中，优选地，所述粒子束评价装置具备光照射装置、散射光检测装置及信号处理装置，其中，所述光照射装置对所述粒子束照射光，所述散射光检测装置检测向所述粒子束照射的光与所述粒子接触而产生的散射光，所述信号处理装置对所述散射光检测装置输出的与所述散射光的强度及/或频率相对应的信号进行记录并处理。
另外，优选地，所述信号处理装置根据与所述散射光的各强度相应的频率分布及/或与各脉宽相应的频率分布以及预先求得的所述光的空间强度分布与粒子束的空间扩展间的关联性，计算所述粒子束的空间扩展。
另外，优选地，所述信号处理装置基于来自沿着所述粒子束行进方向的多个位置的所述信号，计算所述粒子束在该多个位置上的空间扩展，同时根据各位置上的空间扩展来计算所述粒子束的扩展角。
另外，优选地，具有基于由所述信号处理装置求得的所述粒子束的空间扩展及/或扩展角，来对所述粒子束的空间分布进行调节的装置。
另外，优选地，所述粒子束生成装置由使所述粒子源通过具备立设于内侧的节流装置的管状结构体的该管内部，将粒子以线状或圆锥状射出。
另外，优选地，所述减压容器分为配置所述粒子束生成装置的前段排气室和配置所述粒子束评价装置的后段排气室，在分隔该等排气室的分隔壁上设置缝隙，该缝隙可让所述粒子束通过，由所述前段排气室侧形成为窄口的大致圆锥形状的通过口所构成，可分别从所述前段排气室和所述后段排气室排气，以使所述后段排气室的气压与所述前段排气室相比为低压。
另外，优选地，所述后段排气室具备用于从所述后段排气室取出所述粒子束的排出口。
另外，优选地，所述光照射装置具有激光生成装置及透光窗，其中，所述透光窗使由所述激光生成装置照射的激光透过，并设置于所述减压容器上。
另外，优选地，在所述减压容器上，沿所述粒子束的行进方向以规定间隔在多个位置上设置所述光照射装置和所述散射光检测装置。
另外，优选地，对所述粒子束的空间分布进行调节的装置包括从包含对所述减压容器的所述后段排气室的所述粒子束行进路径长度进行调节的装置、对所述后段排气室的相对于所述前段排气室的角度进行调节的装置以及对所述粒子束生成装置的相对于所述前段排气室的角度进行调节的装置的组中选择的至少一种装置。
(三)有益效果
根据本发明的粒子束形成装置，由于具备对粒子束的空间分布进行评价的粒子束评价装置，因此能够对每束形成的粒子束不侵入该粒子束且简单地对分析粒子时的捕捉效率和粒子向目标范围运送的精度等进行评价。
另外，作为粒子束评价装置，通过具备光照射装置、散射光检测装置及信号处理装置，可检测向粒子束照射的光与粒子接触而产生的散射光，使与该散射光的强度及/或频率相对应的信号作为粒子束空间分布的物理表象来获得，能够对粒子束的空间扩展或扩展角等进行高精度评价。
另外，通过进一步具备对粒子束的空间分布进行调节的装置，能够进行与粒子束的空间分布相对应的粒子束形成的控制。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的粒子束形成装置的概略结构的俯视图。
图2是表示本发明第一实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
图3表示作为粒子束生成装置3的一例而举出的气动力学透镜的示意图。
图4是表示粒子的粒径与粒子束生成装置中的粒子通过率的关系的图表。
图5是将空间强度分布在规定范围内设为一定的激光照射粒子束时的观测结果的一例，图5中的(A)是从粒子束行进方向的斜上方观察的状态下的概念说明图，图5中的(B)是表示散射光脉宽的频率分布的一例的图表。
图6是在将具有作为空间强度分布的高斯分布的激光照射粒子束时的观测结果的一例，图6中的(A)是从粒子束行进方向的斜上方观察的状态的概念说明图，图6中的(B)是表示散射光强度(或者脉宽)的频率分布的一例的图表。
图7是在将具有作为空间强度分布的高斯分布的激光照射粒子束时的观测结果的一例，图7中的(A)是从激光的照射方向观察的状态的概念说明图，图7中的(B)、(C)是表示按粒子进行检测的散射光脉冲的一例的图表。
图8是表示本发明第二实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
图9是表示本发明第三实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
图10是表示本发明第四实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
图11是表示本发明第五实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
图12是根据遮蔽物的导入量对粒子束行进方向侧方的空间分布中进行标值的方法的说明图。
图13是表示遮蔽物导入量与被检测出的粒子频率的关系的图表。
图14是表示本发明第四实施方式的粒子束形成装置的使用状态一例的概略结构的侧视图。
图15是表示粒子束角度θ与粒子检测频率的关系的图表，图15中的(A)为照射光的幅度与粒子束的分布幅度完全相同或在其以下时的例子，图15中的(B)为照射光相对于粒子束的分布幅度充分大时的例子。
图16是构成现有的粒子束形成装置一部分的粒子束形成装置的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明进行具体说明。
首先，对本发明的第一实施方式进行说明。图1是表示本发明第一实施方式的粒子束形成装置的概略结构的俯视图，图2是其侧视图。
如图1、2所示，本实施方式的粒子束形成装置具备粒子束生成装置3、减压容器12、激光生成装置11、散射光检测装置14及信号处理装置15。
在本方式中，粒子束生成装置3为管状结构体，其以不损坏减压容器12的减压机构的方式贯穿减压容器12的一侧的壁。因此，粒子束生成装置3的结构为，其一端配置在减压容器12的外部，其另一端配置在减压容器12的内部，从减压容器12的外部获取粒子源2并将粒子1的粒子束导入减压容器12内。作为粒子源2只要是在气体中分散粒子的粒子源即可，例如可以列举环境大气、用于改良半导体表面的含有纳米粒子的气体、实验室制备的含有单分散粒子的空气、压力容器内的粒子等，但并不限定于此。粒子源2可以向粒子束生成装置3连续供给，也可以间歇供给，还可以逐时供给。另外，还可以通过清洁空气稀释，或调整储存有粒子源2的储存容器4内的压力，使目标粒子的浓度达到希望的范围之后向粒子束生成装置3供给。
在本方式中，减压容器12分为配置粒子束生成装置3的前段排气室12a和与其相对隔有分隔壁的后段排气室12b。进而，例如想对于大气压下的粒子源2，若通过与排气口5a相通的未图示的排气装置使前段排气室12a减压至10-3Torr左右的压力，并通过与排气口13相通的未图示的排气装置使后段排气室12b减压至10-5Torr左右的较高的真空度，则由此形成差动排气，因此使粒子1从粒子束生成装置3向前段排气室12a、进而向后段排气室12b引导。该粒子1的粒子流形成在构成粒子束生成装置3的管状结构体的同轴上。下面将该同轴上的粒子的流动方向称为粒子束行进方向。此外，后段排气室12b的排气口13兼用作从后段排气室12取出粒子束的排出口。
粒子束生成装置3理想上形成线状的粒子束，但实际上射出的粒子束在减压容器12内，以由图1的上限7a和下限7b所围着的圆锥状空间的扩展而进行分布。即，当从粒子束生成装置3的射出口射出所述粒子时，具有所述粒子所带的粒子束行进方向以外的速度成分，或者成为粒子驱动源的输送气体在容器内扩展的过程中，由于粘性等对粒子1施加力，由此粒子1也与行进方向垂直地逐渐扩展，因此以呈圆锥状空间扩展地形成粒子束。
在本方式中，在分隔减压容器12的前段排气室12a与后段排气室12b的分隔壁上设置有缝隙6，该缝隙6由前段排气室12a侧形成为窄口的大致圆锥形状的通过口所构成。粒子束从前段排气室12a通过该缝隙6向后段排气室12b导入。该缝隙6的形状有助于在粒子束中混合的输送气体有效地进行排气。即，由于粒子束含有气体分子，因此与粒子相比在行进方向侧方具有大的扩展速度的气体被选择性地排除，另一方面，与气体分子相比在行进方向侧方具有小的扩展速度的粒子能够选择性地通过缝隙6。另外，通过相对于缝隙6的口径而面积充分大的分隔壁，来维持前段排气室12a与后段排气室12b的压力差。这样，对于缝隙，由于具有根据其形状可大幅改变粒子束的性质的效果，因此更优选做成能够与其它形状缝隙更换的结构。
图3中表示作为粒子束生成装置3的一例的气动力学透镜的示意图。该气动力学透镜3a的结构为，在管状结构体的内部具备立设于内侧的节流机构，在其管状结构体内部使上述粒子源通过并以线状或圆锥状射出粒子。即，如图3所示，在管状壳体30的内部为多个孔板31a～31d连成一排的结构，在其一端的侧面上设置有流入粒子源的入口32，在其另一端的侧面上设置有射出粒子的粒子束的出口33。在该图中，成为入口32配置在上述粒子源2侧，出口33配置在上述减压容器12侧的状态。通过压力差，在粒子源通过入口32而流入，并使粒子源穿过气动力学透镜时，由于粒子的输送气体一边扩展一边移动，因此通过孔板31阻碍直线移动，与此相对，由固体或液体构成的粒子的直进性高于气体分子，因此通过了第一个孔板31a的粒子的移动不会受到第二个以后的孔板31b～d的大的阻碍，各粒子呈束状收敛的同时，通过出口33向减压容器12侧射出粒子束。另外，在该气动力学透镜3a的方式中，在入口32设置管嘴34，在出口33设置管嘴35，使粒子束更加收敛。
一般在如上所述构造的粒子束生成装置中，具有如图4所示的依赖于粒子的粒径的通过特性。即，如图4中的a区域所示，相对于具有大致100％通过粒子束生成装置的粒径范围，在其微小粒径侧及粗大粒径侧上，粒子难以通过粒子束生成装置。特别地，在如图4中的b区域所示的粒径范围和图4中的c区域所示的粒径范围中，粒子相对于输送气体的相对速度决定其粒子束的集束度。因此在这些粒径范围中，通过调整粒子束生成装置的内部压力，能够控制粒子束的收敛度。即，例如，在导入对象的粒子为图4中的b区域所示的粒径范围的情况下，通过降低粒子束生成装置的内部压力，能够减小相对于粒子束行进方向的侧方的分布(即粒子束的收敛度提高，扩展角变小)。相反，在导入对象的粒子为图4中的c区域所示的粒径范围的情况下，通过提高粒子束生成装置的压力来改善粒子束的收敛度。粒子束生成装置3的内部压力可以通过上述图3中所示的气动力学透镜3a的管嘴34、管嘴35的结构或直径大小，或者孔板31的数量和孔板之间宽度等来调整。另外，即使使粒子束生成装置3的内部流体的流动变化，也可以使依赖于粒子的粒径的通过特性变化。这样，在粒子束生成装置中，由于具有通过其形状使粒子束的性质大幅改变的效果，因此更优选为可以与其它形状的粒子束生成装置更换的结构。
另一方面，当导入对象的粒子为图4中的a区域所示的粒径范围的情况下，其收敛度大致为，在粒子束的飞行距离为1m左右时，在相对于粒子束行进方向，向侧方的半径为1mm左右(扩展角为1mrad左右)的范围内分布。
可以生成如上所述的粒子束的粒子粒径范围是根据粒子束生成装置的构造来确定的，但通常空气动力学直径为0.01～100μm的粒子，更典型为0.01～10μm的粒子，进一步更加典型为0.1～3μm的粒子。粒子束生成方法不限于使用上述图3所示的气动力学透镜的机构而进行的方法，例如，可以列举毛细管进样方式(参照Murphy and Sears著，“Production of Particle Beams(粒子束的生成)”，Journal of ApplyedPhysics，1964年第35号，从第1986页至第1987页)等。
在本方式中，如图1所示，在减压容器12的后段排气室12b的一方向的两侧壁上，设置有使来自激光生成装置11的激光8通过的透光窗9，从相对于粒子束行进方向大致垂直方向照射激光8。因而照射的激光8穿过在与照射侧相反的后段排气室12b侧壁上设置的透光窗9，使得不反射。另外，如图2所示，在减压容器12的后段排气室12b的另一侧壁上配置会聚光学系统(会聚透镜)10，通过其会聚来自粒子的散射光16，并可以通过与会聚透镜10一体的散射光检测装置14来检测。进而，对从散射光检测装置14输出的信号进行记录并处理的信号处理装置15出于耐真空性、耐热性问题的考虑，与激光生成装置11、散射光检测装置14同样，均被配置在减压容器12的外部。
从粒子源2通过粒子束生成装置3，并在前段排气室12a内行进，进而穿过缝隙6而导入后段排气室12b内的粒子束，在其行进途中所设的规定的检测区域中，接受通过透光窗9导入的来自激光生成装置11的激光8。该激光8与构成粒子束的粒子1接触而产生散射光16。这里，若设为粒子1为可以通过米氏散射进行检测的粒径范围的粒子，则散射光强度与照射光强度和照射光波长具有规定的关联性。粒径在如使用已知的标准粒子，例如PSL(聚苯乙烯乳胶粒)等的情况，或者使用电分级器等对导入粒子进行分级的情况那样，在粒子1的粒径被视为一定的情况下，若使用如激光这样的波长及空间强度分布为一定的光作为照射光，则由会聚光学系统10会聚的散射光16通过检测装置14以大致一定的强度被检测出。
所使用的照射光并无特别限制，但在微小粒径侧(粒径0.1～0.5μm程度)的空间分布的测量中，例如优选输出较大的660nm或532nm的激光。作为激光生成装置11，例如可以列举半导体激光器、固体激光器、气体激光器等。另外，如后述说明，对于评价粒子束的空间分布，优选具有已知的空间强度分布的光。强度分布一定的激光可以通过通常的方法方法、透镜的光束形成法(均束器、激光线发生器)或反射镜的光束成形法(可变形反射镜)等来生成。另外，由于强度分布为已知即可，因此也可以使用例如由上述半导体激光器、固体激光器、气体激光器等生成的具有高斯分布激光。
图5中举出将空间强度分布设为一定的激光照射粒子束时的观测结果的一例。该例是在激光与粒子束的中心一致，并且被导入粒子为单一粒径的情况下的例子。图5中的(A)是其概念说明图，图5中的(B)是表示在将按粒子检测出的散射光的脉宽设为X轴并将其频率设为Y轴时的散射光脉宽的频率分布的一例的图表。
如图5中的(A)所示，对于该激光，在激光的行进方向的截面观察时，空间强度分布呈现为一样的分布。因此，由于从大致垂直方向穿过激光的粒子而生成散射光。此时如图5中的(A)、(B)所示，通过激光中心的粒子(在图5中的(A)中用a表示)生成具有最大脉宽的散射光，这样的粒子分布在由图5中的(B)中a所表示的区域。另一方面，通过激光的光径宽度方向的中间的粒子(在图5中的(A)中用b表示)生成具有中间的脉宽的散射光，这样的粒子分布在图5中的(B)中b所表示的区域。另一方面，通过激光的光径宽度的边界附近的粒子(在图5中的(A)中用c表示)生成具有最小脉宽的散射光，这样的粒子分布在图5中的(B)中c所表示的区域。在粒子束所包含的粒子浓度的空间分布成为以粒子束中心为顶点的高斯分布状的情况下，可得到如图5中的(B)中实线那样的散射光脉宽的频率分布。另外，在粒径不固定而是具有某种程度幅度的情况下，其幅度显现为飞行时间的差，可得到如图5中的(B)中虚线那样的散射光脉宽的频率分布。另一方面，在粒子束中心与激光中心不同情况下，得到例如图5中的(B)中点划线那样的散射光脉宽的频率分布。
图6中举出将具有作为空间强度分布的高斯分布的激光照射粒子束时的观测结果的一例。该例是在激光与粒子束的中心一致，并且被导入粒子为单一粒径的情况下的例子。图6中的(A)是其概念说明图，图6中的(B)是表示按粒子检测出的散射光的强度(或者脉宽)的频率分布的一例的图表。
如图6中的(A)所示，对于该激光，在激光的行进方向的截面观测时，空间强度分布呈高斯分布。因此，与上述图5所示情况相同，由于从大致垂直方向穿过激光的粒子而生成散射光。此时如图7中的(A)、(B)、(C)所示，来自通过中心附近的粒子21a(图7中的(A))的散射光的强度如22a那样在时间上和强度上均变大(图7中的(B))，通过偏离激光8中心的空间的粒子21b(图7中的(A))如22b那样相对于22a在时间上和强度上均变小(图7中的(C))。因此，以散射光强度亦或脉宽作为X轴，可得到如图6中的(B)所示的频率分布。
进一步地，也可以通过激光生成装置11生成多种波长的激光，并从透光窗9导入进而照射粒子束，在散射光检测装置14侧设置光学滤波器等，并按波长检测散射光。通过这样做，能够对对来自环境大气等具有多个粒径或组成的粒子源的粒子束的空间分布进行评价。
对于根据如上所述得到的散射光的强度(或者脉宽)的频率分布，来评价粒子束的空间分布，例如可以按如下所述进行。
(1)在比较条件不同的多个观测结果的情况下，由图6中的(B)中虚线所表示的曲线与图6中的(B)中实线所表示的曲线相比突起尖锐且频率的最高值也相对高时，可以评价为，与显现图6中的(B)中实线所表示的曲线的粒子束相比，显现图6中的(B)中虚线所表示的曲线的粒子束是向粒子束行进方向侧方的空间扩展小的粒子束。
(2)在被导入粒子的粒径等可预想的情况下，根据被预想为激光空间分布的粒子束的分布(例如粒子束所包含的粒子浓度的空间分布呈以粒子束中心为顶点的高斯分布状)来预测粒子束的扩展与检测信号的关系，比较该预测与实测，由此能够推测该粒子束的扩展。另外，在使用流体计算或后述的第五实施方式等飞行速度已知的情况下，根据激光的幅度和速度，能够预测粒子束中心通过激光中心的情况下的散射光的脉宽，因此可以评价为若检测脉冲的最大频率的脉宽与该预测值大致相同，则粒子束分布在照射光中心，若脉宽比其还窄则粒子束分布在偏离激光中心的部分。
此外，为了通过实验确认如上所述的评价的可靠性，举出了使用具有规定特性的粒子(模型粒子，例如PSL)，求得实际粒子束的空间扩展等的方法。对于其具体例在后述中说明。
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。
图8是表示本发明的第二实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。此外，由于粒子源2、粒子束生成装置3、缝隙6、激光生成装置11、激光8、透光窗9、会聚光学系统10、散射光检测装置14、散射光16、信号处理装置15等与第一实施方式相同，因此标注相同的标记，省略它们的说明。在下面的各实施方式的说明中也同样省略。
在本方式中，在上述说明的第一实施方式的基础上，还在后段排气室12b上，设置兼作粒子束排出口的与排气口13不同的排气口5b。进而，使得通过与排气口5b相通的未图示的排气装置能够调整后段排气室12b的压力。由此，在通过兼作粒子束排出口的排气口13进一步向后段的其它容器内导入粒子束的情况下，即使出于使粒子束变细等目的而有意识地使该粒子束排出口(排气口13)变窄，也可以通过排气口5b充分地进行排气。
接着，对本发明的第三实施方式进行说明。
图9是表示本发明的第三实施方式的粒子束形成装置的概略结构侧视图。
在本方式中，在上述说明的第一实施方式的基础上，还在前段排气室12a中，具备调节粒子束生成装置3相对于前段排气室12a的角度的装置。作为具体的结构，可以举出例如在粒子束生成装置3与前段排气室12a的结合部分通过波纹管20等在确保气密性的同时能够改变角度的机构。进而，使得能够基于由信号处理装置15计算出的粒子束的空间扩展及/或扩展角，来改变上述角度。由此，通过粒子束生成装置3的构造，即使在粒子束行进方向与粒子束生成装置3的同轴方向不一致的情况下，也能够调整粒子束的射出方向相对于前段排气室的相对角度，从缝隙6向连结检测区域的路径导入粒子束。
接着，对本发明的第四实施方式进行说明。
图10是表示本发明的第四实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
在本方式中，在上述说明的第一实施方式的基础上，还具备调节后段排气室12b的沿粒子束行进方向的长度的装置。作为具体的结构，可以举出例如将致动器17和波纹管18设置在比连接散射光检测装置14的会聚光学系统(会聚透镜)10靠近隔开前段排气室12a的分隔壁的后段排气室12b侧壁上，并使其长度在粒子束行进方向上伸缩的机构。进而，使得能够基于由信号处理装置15计算出的粒子束的空间扩展及/或扩展角，对用于驱动致动器17的伸缩装置驱动装置19进行驱动，改变后段排气室12b的沿粒子束行进方向的长度。由此，由于如前所述粒子束从粒子束生成装置3的射出口以呈圆锥状空间扩展而射出，因此能够通过改变自该射出口起的粒子束行进方向的距离，来调整在检测区域的粒子束的空间扩展。
另外，基于由信号处理装置15计算出的粒子束的空间扩展与希望的粒子束的空间扩展的差，对驱动致动器17的伸缩装置驱动装置19进行驱动，能够通过直到该差消失地驱动致动器17来进行调整，使得在检测区域具有希望的空间扩展。
进一步地，通过因致动器17致使的伸缩距离与粒子束的空间扩展的关系，能够求得粒子束的扩展角(即上限7a与下限7b形成的角)。即，例如伸缩前的粒子束的空间扩展的计算值为y，之后通过致动器17使伸缩变化x，再次求得粒子束的空间扩展的该计算值为y+y1的情况下，扩展角θ可由下式(1)给出。
(数学式1)
θ = 2 arctan y 1 2 x . . . ( 1 )
由此，能够计算出装置内的粒子束上的任意点的粒子束的空间扩展，能够更准确地控制粒子束的空间扩展。
另外，上述致动器17和波纹管18也成为调节后段排气室相对于前段排气室的角度的装置。即，通过基于由信号处理装置15计算出的粒子束的空间扩展及/或扩展角，控制至少两个以上的致动器的伸缩，使得能够改变上述角度。由此，在通过兼作粒子束排出口的排气口13进一步向后段的其它容器内导入粒子束的情况下，即使在粒子束行进方向与其粒子束排出口(排气口13)不一致的情况下，也能够调节粒子束相对于后段排气室的相对角度，从缝隙6向连接粒子束排出口(排气口13)的路径导入粒子束。
另外，能够确认照射粒子的照射光的幅度相对于粒子束充分大。此外对该方法的具体例子在后述中说明。
接着，对本发明的第五实施方式进行说明。
图11是表示本发明的第五实施方式的粒子束形成装置的概略结构的侧视图。
在本方式中，在上述说明的第四实施方式的基础上，还在后段排气室12b上沿粒子束行进方向具备至少两组以上由会聚光学系统(会聚透镜)10、散射光检测装置14及信号处理装置15构成的粒子检测光学系统。进而，能够同时观测第一粒子束检测光学系统的检测区域中的粒子束空间扩展及第二粒子束检测光学系统的检测区域中的粒子束的空间扩展。由此，能够根据沿着第一粒子束检测光学系统与第二粒子束检测光学系统之间的粒子束行进方向的距离x，以及第一及第二粒子束检测光学系统的检测区域中的粒子束空间扩展的计算值的差y1，通过与上述第四实施方式中说明的方法相同的方法来求得粒子束的扩展角，更容易求得容器内的任意点处的粒子束的空间扩展。另外，若能够充分减小粒子束内的粒子浓度，则能够根据从第一粒子束检测光学系统的检测区域到第二粒子束检测光学系统的检测区域的飞行时间，以及沿第一粒子束检测光学系统与第二粒子束检测光学系统之间的粒子束行进方向的距离x，能够求得粒子速度。由此，可以进行更详细的粒子束评价。
以上，对第一、第二、第三、第四及第五实施方式进行了说明，但是本发明的范围并不限定于此。另外，也可以对各个实施方式中说明的各结构适当组合，在不损害本发明的作用效果的范围内，对除此之外的结构进行组合也无特别限制。
另外，也可以构成为，通过兼作粒子束排出口的排气口13进一步在后段设置比后段排气室12b更减压了的其其他容器，在该容器内配置质量分析装置、半导体制造装置、LCD制造装置等机构，为了进行组成分析或半导体材料改良而导入粒子束。另外这样的机构也可以设置在后段排气室12b内。
(通过模型粒子预先计算检测区域中的实际的粒子束的空间扩展的方法)
如前所述，若预先取得使用具有与被导入粒子相近特性的模型粒子等来求得的实际的粒子束的空间扩展与由所述散射光检测装置14测量的散射光强度(或者脉宽)的频率分布等之间的对应关系，则能够基于在具体的被检测粒子束中得到的频率分布，根据上述对应关系来计算检测区域中的空间分布。
为了实施上述方法，作为通过模型粒子计算检测区域中实际的粒子束的空间扩展的方法，例如，可以列举如下所述方法，即，在检测区域中准备靶子，导入规定粒径的模型着色粒子(着色PSL、通过电分级器等分级的0.25μm直径的甲基橙、苯胺黑等粒子化的色素分子)，向该靶子入射粒子束，并回收该靶子，通过目视或光学显微镜等评价其着色范围。
另外，作为不使用着色粒子的方法，相对于粒子束的行进方向垂直地(即在遮挡的方向上)准备直线导入端子等的遮蔽物(图12)，通过取得该遮蔽物的导入量与检测量的关系，能够测量粒子束行进方向侧方的空间分布。例如，将图12所表示的遮蔽物41的导入量设为x，若以一定浓度导入了粒子，则不被遮蔽的话应在稳定状态下成为一定的散射光检测频率。若在该状态下使导入量x增加，则如图13所示，使得从某点x1开始检测频率减少，则在x2处检测不到散射光，则在粒子束所包含的粒子浓度的空间分布成为以粒子束中心为顶点的高斯分布状的情况下，遮蔽物导入量与粒子检测频率的关系成为误差函数，差x2-x1为粒子束的分布幅度。若通过这样的方法，预先取得由该方法求得的粒子束的空间扩展与通过本发明中的方法得到的例如散射光强度(或者脉宽)的频率分布的对应关系，则对于具体的被检测粒子束中得到的频率分布，也能够测量检测区域上的空间分布。
(确认照射粒子的照射光的幅度相对于粒子束充分大的方法)
在本发明中，照射粒子束的光的幅度相对于粒子束的分布幅度充分大，则能够观测到构成粒子束的观测对象粒子的全部，故优选。作为其确认方法，可举出如下所述的方法。
即，例如，使用上述第四实施方式的粒子束形成装置，如图14所示，有意识地改变后段排气室相对于前段排气室的角度。如果照射光的幅度与粒子束的分布幅度完全相同或在其以下(照射光更窄)，则如图15中的(A)所示，在横轴上取图14的角度，在纵轴上取粒子检测频率，则得到没有平坦区域的高斯分布状曲线。另一方面，如果照射光的幅度充分宽，则能得到如图15中的(B)所示的曲线。这样一来，能够确认照射光相对于粒子束的分布幅度足够大。
附图标记说明
1    粒子
2    粒子源
3    粒子束生成装置
4    储存容器
5a、5b 排气口
6    缝隙
7a   粒子流侧方扩展(上侧)
7b   粒子流侧方扩展(下侧)
8    激光
9    透光窗
10   会聚光学系统(透镜)
11   激光生成装置
12   减压容器
12a  前段排气室
12b  后段排气室
13   兼作粒子束排出口的排气口
14   散射光检测装置
15   信号处理装置(CPU)
16   散射光
17   伸缩装置(致动器)
18   动作机构(波纹管)
19   伸缩装置驱动装置
20   粒子束生成装置的角度调整装置
21a  通过具有高斯分布光强度的激光中心的粒子
21b  偏离具有高斯分布光强度的激光中心的粒子
22a  21a的散射光强度经时变化
22b 21b的散射光强度经时变化

Claims (11)

1.一种粒子束形成装置，其从粒子分散于气体中的粒子源形成线状或者圆锥状的粒子束，其特征在于，具备减压容器、粒子束生成装置及粒子束评价装置；
所述减压容器的内部被减压；
所述粒子束生成装置的一端配置在所述减压容器外，另一端配置在所述减压容器内，获取所述减压容器外的粒子源，将粒子束导入所述减压容器内；
所述粒子束评价装置对所述减压容器内的所述粒子束的空间分布进行评价。
2.根据权利要求1所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述粒子束评价装置具备光照射装置、散射光检测装置及信号处理装置；
所述光照射装置对所述粒子束照射光；
所述散射光检测装置检测向所述粒子束照射的光与所述粒子接触而产生的散射光；
所述信号处理装置对所述散射光检测装置输出的与所述散射光的强度及/或频率相对应的信号进行记录并处理。
3.根据权利要求2所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述信号处理装置根据与所述散射光的各强度相应的频率分布及/或与各脉宽相应的频率分布以及预先求得的所述光的空间强度分布与粒子束的空间扩展间的关联性，计算所述粒子束的空间扩展。
4.根据权利要求3所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述信号处理装置基于来自沿着所述粒子束行进方向的多个位置的所述信号，计算所述粒子束在该多个位置上的空间扩展，同时根据各位置上的空间扩展来计算所述粒子束的扩展角。
5.根据权利要求3或4所述的粒子束形成装置，其特征在于，具有基于由所述信号处理装置求得的所述粒子束的空间的扩展及/或扩展角，来对所述粒子束的空间分布进行调节的装置。
6.根据权利要求1所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述粒子束生成装置由使所述粒子源通过具备立设于内侧的节流装置的管状结构体的该管内部，将粒子以线状或圆锥状射出的装置构成。
7.根据权利要求1所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述减压容器分为配置所述粒子束生成装置的前段排气室和配置所述粒子束评价装置的后段排气室；在分隔该等排气室的分隔壁上设置缝隙，该缝隙可让所述粒子束通过，由所述前段排气室侧形成为窄口的大致圆锥形状的通过口所构成；可分别从所述前段排气室和所述后段排气室排气，以使所述后段排气室的气压与所述前段排气室相比为低压。
8.根据权利要求7所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述后段排气室具备用于从所述后段排气室取出所述粒子束的排出口。
9.根据权利要求2所述的粒子束形成装置，其特征在于，所述光照射装置具有激光生成装置及透光窗，所述透光窗使由所述激光生成装置照射的激光透过，并设置于所述减压容器上。
10.根据权利要求2所述的粒子束形成装置，其特征在于，在所述减压容器上，沿所述粒子束的行进方向以规定间隔在多个位置上设置所述光照射装置和所述散射光检测装置。
11.根据权利要求5所述的粒子束形成装置，其特征在于，对所述粒子束的空间分布进行调节的装置包括从包含对所述减压容器的所述后段排气室的所述粒子束行进路径长度进行调节的装置、对所述后段排气室的相对于所述前段排气室的角度进行调节的装置以及对所述粒子束生成装置的相对于所述前段排气室的角度进行调节的装置的组中选择的至少一种装置。
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