JP2007003418A - 荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により、しかも低コストにより荷電粒子ビームを偏向かつ収束する。
【解決手段】一方の端部の開口部の内径よりも他方の端部の開口部の内径が小径となるように一方の端部から他方の端部に向けて内径が絞られている管状の絶縁物の一方の端部の開口部から荷電粒子ビームを投射し、一方の端部の開口部から管状の絶縁物の管内へ荷電粒子ビームを入射すると、管状の絶縁物の管内の内壁への荷電粒子の衝突による衝突部分における帯電ならびに該衝突部分における帯電に伴う電界による荷電粒子の偏向が、管状の絶縁物の管内において繰り返し行われることで、一方の端部の開口部から管状の絶縁物の管内に入射された荷電粒子ビームは、管状の絶縁物の管内と接触することなく収束されて他方の端部の開口部から外部へ出射される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具に関し、さらに詳細には、プラスイオンやマイナスイオンなどのように電荷がプラスまたはマイナスの荷電粒子のビーム、即ち、荷電粒子ビームを偏向しかつ収束する際に用いて好適な荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具に関する。

従来、荷電粒子ビームを偏向あるいは収束させるためには、電極板または磁石を用いて荷電粒子ビームに対して電界または磁界を印加するなどのように、外部から積極的にエネルギーや労力を費やして、専用の装置、例えば、加速器のビームラインで用いられている、偏向磁石、静電デフレクター、四重極電磁石あるいは強力な永久磁石を設置するという手法が一般的であった。

しかしながら、こうした加速器などの専用の装置を設置するには、その設置自体が大変な作業であるとともにコストもかかるものであって、とても簡便な手法と言えるものではないという問題点があった。

また、加速器などの専用の装置を用いることに馴染みのない分野の者にとっては、荷電粒子ビームや高速の荷電粒子一つ一つの向きを変えて収束させるという技術は、経済的にも、時間的にも、さらには心理的にも大きな負担であるという問題点もあった。例えば、マイクロビームを使用する生物学系およびナノテクノロジー関連の研究者や技術者にとっては、荷電粒子ビームを偏向および収束して照射実験を行う際には、実験室の真空槽内に電極板や磁石を用いて実験装置を作製しており、その作業が繁雑なものとなっていたという問題点があった。

一方、偏向した荷電粒子ビームのビーム径を最終的に細く絞るためには、ピンホールなどのマスクを使用する手法が従来よりとられてきたが、ピンホールなどのマスクを使用する手法は荷電粒子ビームを切り刻むことになるため、荷電粒子ビーム中の荷電粒子の数が大きく減少するという問題点があった。

また、荷電粒子ビームのビームスポットを１μｍ以下にするとともに、最初の荷電粒子の密度を上回る密度で、即ち、収束させて照射させるには、非常に大掛かりな装置が必要であって、現在のところ加速器施設のビームラインなどで四重極磁石などを用いて行われているのみであり、簡便な手法により荷電粒子ビームを最初の荷電粒子の密度を上回る密度で、即ち、収束させて照射することのできる手法の開発が強く望まれていた。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点や要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により、しかも低コストにより荷電粒子ビームを偏向かつ収束することができるようにした荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、外部から電界や磁界を人為的にかけることなく、荷電粒子ビームを偏向かつ収束させるようにしたものである。さらにはピンホールなどのマスクを使うことなく、小さなビーム径が得られるようにしたものである。

即ち、本発明は、外部から電界や磁界をかけて荷電粒子ビームの偏向や収束を行うのではなく、あたかもホースの中に水を通すように管状の絶縁物に荷電粒子ビームを通すことにより、荷電粒子ビームは管の向きおよび管のカーブに沿って偏向されて管内を通過して外部へ出射されることになる。

また、上記した管状の絶縁物の内径に関しては、荷電粒子ビームが外部から入射される入口側の内径よりも外部へ出射される出口側の内径が小径となるように、管状の絶縁物の内径が出口側に向けて絞られている。これにより、注射針の先端のような極微細径部分からビームを出射させることで、細く絞ったビームを容易に所望のスポットに照射することができるようになるとともに、荷電粒子ビームが管状の絶縁物の入口に入る以前より出口を出た後のほうが、荷電粒子ビーム内の粒子密度が上がり、収束作用を生じさせることができる。

なお、収束とは、荷電粒子ビームが通過する単位面積（例えば、１平方ミリメートルである。）当たりのビーム内荷電粒子数、即ち、荷電粒子ビームの荷電粒子密度が管状の絶縁物に入る前よりも出た後の方が高くなっていることを意味する。

つまり、
管状の絶縁物の出口から出た荷電粒子数÷管状の絶縁物の入口から入った荷電粒子数＞管状の絶縁物の出口の開口面積÷管状の絶縁物の入口の開口面積
の状態を意味するものとする。

本発明によれば、荷電粒子ビームは管状の絶縁物の管内と接触することなく偏向されるとともに収束されて外部へ出射されるものであり、荷電粒子ビームは絶縁物の管内と接触することがないため、当該接触によるエネルギー損失もなく、電荷（価数）も変わる恐れがない。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法であって、一方の端部の開口部の内径よりも他方の端部の開口部の内径が小径となるように上記一方の端部から上記他方の端部に向けて内径が絞られている管状の絶縁物の上記一方の端部の開口部から荷電粒子ビームを投射し、上記一方の端部の開口部から上記管状の絶縁物の管内へ荷電粒子ビームを入射すると、上記管状の絶縁物の管内の内壁への荷電粒子の衝突による衝突部分における帯電ならびに該衝突部分における帯電に伴う電界による荷電粒子の偏向が、上記管状の絶縁物の管内において繰り返し行われることで、上記一方の端部の開口部から上記管状の絶縁物の管内に入射された荷電粒子ビームは、上記管状の絶縁物の管内と接触することなく収束されて上記他方の端部の開口部から外部へ出射されるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記一方の端部の開口部の端面は導体により被覆されており、上記一方の端部の開口部の端面の帯電を防止して荷電粒子ビームを入射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記一方の端部の開口部の端面に隣接する内壁部位の帯電を中和しながら荷電粒子ビームを入射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記荷電粒子ビームは、電荷はプラスまたはマイナスであり、かつ、質量数が５以上のイオンビームまたは分子イオンビームであり、かつ、各イオンの持つ運動エネルギーは１００キロ電子ボルト以下であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記荷電粒子ビームは、ビーム中の荷電粒子の価数が２価以上であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、荷電粒子ビームを偏向および収束するために用いる荷電粒子ビームの偏向・収束器具であって、荷電粒子ビームが入射される一方の端部の開口部の内径よりも他方の端部の開口部の内径が小径となるように上記一方の端部から上記他方の端部に向けて内径が絞られている管状の絶縁物と、荷電粒子ビームが入射される上記管状の絶縁物の上記一方の端部の開口部の端面に形成された導体とを有し、上記一方の端部の開口部の端面の帯電を防止して荷電粒子ビームを入射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項６に記載の発明において、さらに、上記一方の端部の開口部の端面に隣接する内壁部位の帯電を中和する電子またはプラスイオンを供給する供給手段を有するようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により、しかも低コストにより荷電粒子ビームを偏向かつ収束することができるようにした荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具を提供することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法および荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の一例を詳細に説明する。

なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成などについては、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。

図１ならびに図２（ａ）（ｂ）には、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための荷電粒子ビームの偏向・収束器具の構成説明図が示されている。なお、図１は図２（ａ）のＩ−Ｉ線による断面図であり、また、図２（ａ）は図１のＡ１矢視図であり、また、図２（ｂ）は図１のＢ１矢視図である。

この荷電粒子ビームの偏向・収束器具１０は、管状の絶縁物としてガラス管１２により構成されている。

このガラス管１２の内径に関しては、外部から荷電粒子ビームが入射されるガラス管１２の一方の端部たる荷電粒子ビーム入口部１２ａの内径ｄ１よりも、ガラス管１２を通過した荷電粒子ビームを外部へ出射する他方の端部たる荷電粒子ビーム出口部１２ｂの内径が小径となるように、ガラス管１２の荷電粒子ビーム入口部１２ａから荷電粒子ビーム出口部１２ｂへ向けてその内径が徐々に絞られている。

また、このガラス管１２は、図１においてＯ−Ｏ線により示す荷電粒子ビームのビーム中心軸と管軸中心を一致させて配置されている。

以上の構成において、Ｏ−Ｏ線をビーム中心軸として荷電粒子ビームをガラス管１２の荷電粒子ビーム入口部１２ａへ入射すると、荷電粒子ビーム入口部１２ａへ入射された荷電粒子ビームは、ガラス管１２の内径に沿って偏向されてガラス管１２内を通過し、荷電粒子ビーム出口部１２ｂから荷電粒子ビームのビーム中心軸方向に沿って外部へ出射されることになる。

また、荷電粒子ビーム入口部１２ａの内径ｄ１よりも荷電粒子ビーム出口部１２ｂの内径ｄ２が小径となるように、ガラス管１２の荷電粒子ビーム入口部１２ａから荷電粒子ビーム出口部１２ｂへ向けてその内径が徐々に絞られているため、荷電粒子ビーム出口部１２ｂの内径ｄ２を注射針の先端のような極微細径に形成すると、極微細径の内径ｄ２から荷電粒子ビームが出射されることになり、ビーム径を細く絞った荷電粒子ビームを容易に所望のスポットに照射することができるようになるとともに、荷電粒子ビームが荷電粒子ビーム入口部１２ａに入る以前より荷電粒子ビーム出口部１２ｂを出た後のほうが、荷電粒子ビーム内の粒子密度が上がり、荷電粒子ビームを収束させることができる。

上記した作用についてさらに詳細に説明すると、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内に入射された荷電粒子ビームに含まれる荷電粒子Ｃが、例えば、ガラス管１２の内壁のある部位に最初に衝突すると、当該衝突部分Ｄの帯電が始まる。

ガラス管１２内への荷電粒子ビームの連続的な入射により、当該衝突部分Ｄに多数の荷電粒子Ｃが連続的に衝突するようになるが、このような当該衝突部分Ｄへの多数の荷電粒子Ｃの衝突に伴い、当該衝突部分Ｄが十分に帯電するようになる。

このようにして当該衝突部分Ｄが十分に帯電するようになると、当該帯電以降に当該衝突部分Ｄへ入射された荷電粒子は、当該帯電に伴う電界により当該衝突部分Ｄに衝突することなく偏向されて、荷電粒子ビーム出口部１２ｂ方向へ進むことになる。

上記したガラス管１２の内壁への荷電粒子Ｃの衝突による衝突部分Ｄにおける帯電ならびに当該衝突部分Ｄにおける帯電に伴う電界による荷電粒子Ｃの偏向が、ガラス管１２内において繰り返し行われることで、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内に入射された荷電粒子ビームは、最終的にはガラス管１２の内壁表面に一度も触れることなく、荷電粒子ビーム出口部１２ｂから荷電粒子ビームのビーム中心軸方向に沿って収束されて外部へ出射される。

ここで、荷電粒子ビーム内の荷電粒子は、物質表面に１度でも触れるとその性質が変わる可能性が極めて高い。

しかしながら、上記した本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法のように、ガラス管１２などの絶縁物の管を使用すると、荷電粒子ビームの衝突により適度に帯電が起こり、ガラス管１２の内壁などの物質表面に触れる恐れがなくなり、しかも、電界や磁界を外部からかけなくても荷電粒子ビーム自身の電荷により自発的に偏向および収束の作用が発揮されることになる。

即ち、荷電粒子ビームはガラス管１２の内壁と接触することなく偏向されるとともに収束されて外部へ出射されるものであり、荷電粒子ビームはガラス管１２の内壁と接触することがないため、当該接触によるエネルギー損失もなく、電荷（価数）も変わる恐れがない。

このように本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法によれば、電界や磁界を印加する装置を設置することなく荷電粒子ビームの偏向および収束を実現することができるようになる。

また、荷電粒子ビーム出口部１２ｂのように荷電粒子ビームの外部への出口を注射針の先のような形状にすると、外部へ照射される荷電粒子ビームのビーム方向の位置決めする際に目視しやすくなり、また、所望の照射位置にピンポイント照射をするための精度を向上することができる。

ここで、図３には、Ｏ−Ｏ線により示す荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して、ガラス管１２の管軸中心を角度αだけ全体に傾けて配置した場合が示されている。なお、角度αとしては任意の角度を設定することができ、例えば、角度αは５°に設定することができる。

この図３に示す場合においても、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ荷電粒子ビームを入射すると、ガラス管１２の内壁への荷電粒子Ｃの衝突による衝突部分Ｄにおける帯電ならびに当該衝突部分Ｄにおける帯電に伴う電界による荷電粒子Ｃの偏向が、ガラス管１２内において繰り返し行われることで、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内に入射された荷電粒子ビームは、最終的にはガラス管１２の内壁表面に一度も触れることなく、荷電粒子ビーム出口部１２ｂから荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して角度αだけ傾いた方向に沿って収束されて外部へ出射される。

ここで、図４には、Ｏ−Ｏ線により示す荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して、ガラス管１２の荷電粒子ビーム出口部１２ｂ近傍の領域のみを角度βだけ傾けて配置した場合が示されている。なお、角度βとしては任意の角度を設定することができ、例えば、角度βは５°に設定することができる。

この図４に示す場合においても、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ荷電粒子ビームを入射すると、ガラス管１２の内壁への荷電粒子Ｃの衝突による衝突部分Ｄにおける帯電ならびに当該衝突部分Ｄにおける帯電に伴う電界による荷電粒子Ｃの偏向が、ガラス管１２内において繰り返し行われることで、荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内に入射された荷電粒子ビームは、最終的にはガラス管１２の内壁表面に一度も触れることなく、荷電粒子ビーム出口部１２ｂから荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して角度βだけ傾いた方向に沿って収束されて外部へ出射される。

次に、図５ならびに図６（ａ）（ｂ）には、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の一例の構成説明図が示されている。なお、図５は図６（ａ）のＶ−Ｖ線による断面図であり、また、図６（ａ）は図５のＡ２矢視図であり、また、図６（ｂ）は図５のＢ２矢視図である。

この荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００と荷電粒子ビームの偏向・収束器具１０とは、荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００が、荷電粒子ビーム入口部１２ａの端面１２ｃを被覆するように形成された導体膜１０２を備える点において異なる。

この導体膜１０２の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウムやＩＴＯなど導体のバルク、箔および膜により形成することができる。

ここで、ガラス管１２の荷電粒子ビーム入口部１２ａの端面１２ｃに導体膜１０２で被覆していない場合には、端面１２ｃの荷電粒子ビームの衝突により端面１２ｃが帯電するようになる恐れがある。このように端面１２ｃが帯電すると、当該帯電に伴う電界により荷電粒子ビームが偏向されて、荷電粒子ビームが荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ導入される効率が低下する恐れがある。

しかしながら、荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００のように、荷電粒子ビーム入口部１２ａの端面１２ｃを導体膜１０２で被覆しておくと、端面１２ｃの荷電粒子ビームの衝突により端面１２ｃが帯電することが防止され、電子ビームを効率よく荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ導入することができる。

なお、図５ならびに図６（ａ）（ｂ）に示す荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００においては、ガラス管１２として図１に示すタイプのものを用いたが、図３や図４に示すタイプのものを用いても同様な作用効果が得られるものである。

次に、図７ならびに図８（ａ）（ｂ）には、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の他の例の構成説明図が示されている。なお、図７は図８（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図であり、また、図８（ａ）は図７のＡ３矢視図であり、また、図８（ｂ）は図７のＢ３矢視図である。

この荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００と荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００とは、荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００が、導体膜１０２を取り囲むように形成した金属板２０２を備える点において異なる。

この金属板２０２の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、金、銀、アルミニウムや鉄などを用いることができる。

ここで、荷電粒子ビームの偏向・収束器具１００においては、端面１２ｃに導体膜１０２を形成したことにより、端面１２ｃの荷電粒子ビームの衝突により端面１２ｃが帯電することが防止され、荷電粒子ビームを効率よく荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ導入することができる。

ここで、ガラス管１２の荷電粒子ビーム入口部１２ａへの荷電粒子ビームの入射が長時間継続すると、ガラス管１２の端面１２ｃに隣接する内壁部位１２ｄへの荷電粒子ビームの衝突により内壁部位ｄが帯電するようになる恐れがある。このように内壁部位ｄが帯電すると、当該帯電に伴う電界により荷電粒子ビームが偏向されて、荷電粒子ビームが荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ導入される効率が低下する恐れがある。

こうした場合に、荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００において荷電粒子ビームとしてプラスイオンビームを用いているならば、当該プラスイオンビームあるいは他のイオンビームを金属板２０２に投射して２次電子を放出させ、当該２次電子により内壁部位ｄを中和することができるので、こうした中和の処理を適宜に繰り返し行うことにより、荷電粒子ビームを効率よく荷電粒子ビーム入口部１２ａからガラス管１２内へ導入することができる。

なお、イオンビームを金属板２０２に投射して２次電子を放出させることに代えて、電子銃などにより電子ビームを内壁部位ｄを直接供給するようにしてもよい。

また、金属板２０２は、荷電粒子ビーム入口部１２ａからそれた荷電粒子ビームが、荷電粒子ビーム出口部１２ｂ側へ投射されることも防止する。

なお、図７ならびに図８（ａ）（ｂ）に示す荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００においては、ガラス管１２として図１に示すタイプのものを用いたが、図３や図４に示すタイプのものを用いても同様な作用効果が得られるものである。

次に、本願発明者による実験結果について説明するが、この実験においては、図７および図８（ａ）（ｂ）に示す荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００を用いて、この荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００を図３に示すような状態になるように徐々に傾けるようにして、その傾きの変化に伴う荷電粒子ビーム出口部１２ｂから出射される荷電粒子ビームの変化を測定した。なお、荷電粒子ビームは、荷電粒子ビームのビーム中心軸が常時Ｏ−Ｏ線と一致するように入射した。

より詳細には、荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００を用いて、荷電粒子としてプラスイオンビームの偏向および収束を測定する実験を行ったものであり、ガラス管１２としては、ボロシリケイトよりなり、長さＬが５０ｍｍであり、荷電粒子ビーム入口部１２ａの外径が直径２ｍｍであり、荷電粒子ビーム入口部１２ａの内径ｄ１が直径０．８ｍｍであり、荷電粒子ビーム出口部１２ｂの外径が直径約５０μｍであり、荷電粒子ビーム出口部１２ｂの内径ｄ２が直径約３０μｍであるものを用いた。また、プラスイオンビームは、１キロボルト加速のＡｒ^８＋を用いた。

この実験によれば、Ｏ−Ｏ線を０°としてプラス方向とマイナス方向とにそれぞれ５°ずつガラス管１２を傾けた際に、約０．１ピコアンペアのプラスイオンビームの入射に対して、毎秒１０〜４００個程度のプラスイオンがガラス管１２を通過して荷電粒子ビーム出口部１２ｂから出射されることを確認した。

なお、このガラス管１２内のプラスイオンの通過の確認は、ガラス管１２の荷電粒子ビーム出口部１２ｂにＭＣＰを配置し、このＭＣＰにより検出される値を観察することにより行った。即ち、ガラス管１２を傾ける角度によって、出射イオンビームの到着位置を示すＭＣＰにより検出される値が移動し、かつ、予想される位置（即ち、理論上求められる位置（理論位置）である。）に検出される値のピークが立つことを確認することで行った。

この実験の際に、ガラス管１２の端面１２ｃに隣接する内壁部位１２ｄが帯電して、ガラス管１２内にプラスイオンビームが入らなくなったときは、プラスイオンビームを金属板２０２に投射して２次電子を放出させ、当該２次電子を内壁部位ｄへ供給することにより帯電を解消した。

ここで、荷電粒子ビームの偏向・収束器具２００を用いて毎秒約４００個のプラスイオンがガラス管１２を通過したということは、幾何学的な面積比（荷電粒子ビーム出口部１２ｂの開口面積／荷電粒子ビーム入口部１２ａの開口面積）より多くのプラスイオンが通過したということになり、プラスイオンの収束効果が得られている。

また、ガラス管１２を±５°傾けたときにも毎秒約４００個のプラスイオンがガラス管１２を通過したものであるが、こうした傾きでは幾何学的には直進で出てくるプラスイオンはあり得ず、ガラス管１２の内壁のいくつかの部分が帯電されてプラスイオンが１回以上反射されていることを示している。なお、本実験においては、ガラス管１２の内壁のいくつかの部分の帯電に要する時間は、数１０秒から数１００秒であった。

ここで、図９には、上記した実験結果を示すグラフが示されており、ガラス管１２の傾きとＭＣＰ上の位置との関係を表している。この実験結果からわかるように、ＭＣＰ上における理論位置と実験により得られた計測位置とはよく一致しており、ガラス管１２の傾きに従って出射イオンビームの到着位置も変化している。

なお、以上において説明した上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、管状の絶縁物としてガラス管１２を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、セラミックスや高分子化合物などの適宜の絶縁材料を管状に形成して用いることができる。

（２）上記した実施の形態においては、導体膜１０２としてアルミニウムやＩＴＯを例示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、金や銀などの各種の金属薄膜を蒸着などにより形成するようにしてもよい。

（３）上記した実施の形態においては、荷電粒子ビームとしてプラスイオンビームを用いた場合の実験例を示したが、本発明において適用可能な荷電粒子ビームはプラスイオンビームに限られるものではないことは勿論であり、本発明はマイナスイオンビームに適用することができる。

なお、本発明を適用するにあたって、荷電粒子ビームは、
（ａ）ビーム中の荷電粒子の価数は２価以上であり、好ましくは、８価以上であって電荷はプラスまたはマイナスであること、
（ｂ）質量数が５以上であり、好ましくは、１０以上１４０以下であり、さらに好ましくは、１８以上４０以下であるイオンビームまたは分子イオンビームであること（水素イオンと原子核崩壊しないヘリウムのイオンは含まないこと）、
（ｃ）各イオンの持つ運動エネルギーは１００キロ電子ボルト以下であり、好ましくは、１キロ電子ボルト以上８０キロ電子ボルト以下であり、さらに好ましくは、８キロ電子ボルト以上７０キロ電子ボルト以下であること、
という、上記（ａ）（ｂ）（ｃ）の条件を満たすものであることが好ましいものであり、上記条件を備えた荷電粒子ビームにおいては、本発明を適用することにより極めて良好な偏向および収束作用を得ることができる。

（４）上記した実施の形態においては、荷電粒子ビームとしてプラスイオンビームを用いた場合の実験例を示したが、荷電粒子ビームとしてマイナスイオンビームを用いる場合には、ガラス管１２の端面１２ｃに隣接する内壁部位１２ｄへの帯電を電子により中和することができないので、プラスイオンを用いて中和する必要がある。この場合には、プラスイオンビームあるいは他のプラスイオンビームを金属板２０２に照射して２次電子を放出させて当該２次電子により内壁部位ｄを中和することに代えて、プラスイオンビームを内壁部位１２ｄへ直接照射して供給すればよい。

（５）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明によれば、固体表面の所望の箇所に荷電粒子を衝突させることが可能になり、これにより当該固体表面に局所的な改質を起こすことができるようになるため、フォトニック結晶などの各種デバイスの開発および作製に利用することができる。

図１は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための荷電粒子ビームの偏向・収束器具の構成説明図であり、図２（ａ）のＩ−Ｉ線による断面図である。 図２（ａ）（ｂ）は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための荷電粒子ビームの偏向・収束器具の構成説明図であり、（ａ）は図１のＡ１矢視図であり、また、（ｂ）は図１のＢ１矢視図である。 図３は、図１に示す荷電粒子ビームの偏向・収束器具について、Ｏ−Ｏ線により示す荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して、ガラス管の管軸中心を角度αだけ全体に傾けて配置した場合を示す図１に対応する構成説明図である。 図４は、図１に示す荷電粒子ビームの偏向・収束器具について、Ｏ−Ｏ線により示す荷電粒子ビームのビーム中心軸に対して、ガラス管の荷電粒子ビーム出口部近傍の領域のみを角度βだけ傾けて配置した場合を示す図１に対応する構成説明図である。 図５は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の一例の構成説明図であり、図６（ａ）のＶ−Ｖ線による断面図である。 図６（ａ）（ｂ）は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の一例の構成説明図であり、（ａ）は図５のＡ２矢視図であり、また、（ｂ）は図５のＢ２矢視図である。 図７は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の他の例の構成説明図であり、図８（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。 図８（ａ）（ｂ）は、本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束方法を実施するための本発明による荷電粒子ビームの偏向・収束器具の実施の形態の他の例の構成説明図であり、（ａ）は図７のＡ３矢視図であり、また、（ｂ）は図７のＢ３矢視図である。 図９は、本願発明者による実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 荷電粒子ビームの偏向・収束器具
１２ ガラス管
１２ａ 荷電粒子ビーム入口部
１２ｂ 荷電粒子ビーム出口部
１２ｃ 端面
１２ｄ 内壁部位
１００ 荷電粒子ビームの偏向・収束器具
１０２ 導体膜
２００ 荷電粒子ビームの偏向・収束器具
２０２ 金属板

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法であって、
   一方の端部の開口部の内径よりも他方の端部の開口部の内径が小径となるように前記一方の端部から前記他方の端部に向けて内径が絞られている管状の絶縁物の前記一方の端部の開口部から荷電粒子ビームを投射し、前記一方の端部の開口部から前記管状の絶縁物の管内へ荷電粒子ビームを入射すると、前記管状の絶縁物の管内の内壁への荷電粒子の衝突による衝突部分における帯電ならびに該衝突部分における帯電に伴う電界による荷電粒子の偏向が、前記管状の絶縁物の管内において繰り返し行われることで、前記一方の端部の開口部から前記管状の絶縁物の管内に入射された荷電粒子ビームは、前記管状の絶縁物の管内と接触することなく収束されて前記他方の端部の開口部から外部へ出射される
   ことを特徴とする荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビームの偏向・収束方法において、
   前記一方の端部の開口部の端面は導体により被覆されており、前記一方の端部の開口部の端面の帯電を防止して荷電粒子ビームを入射する
   ことを特徴とする荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームの偏向・収束方法において、
   前記一方の端部の開口部の端面に隣接する内壁部位の帯電を中和しながら荷電粒子ビームを入射する
   ことを特徴とする荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームの偏向・収束方法において、
   前記荷電粒子ビームは、電荷はプラスまたはマイナスであり、かつ、質量数が５以上のイオンビームまたは分子イオンビームであり、かつ、各イオンの持つ運動エネルギーは１００キロ電子ボルト以下である
   ことを特徴とする荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法。
5. 請求項４に記載の荷電粒子ビームの偏向・収束方法において、
   前記荷電粒子ビームは、ビーム中の荷電粒子の価数が２価以上である
   ことを特徴とする荷電粒子ビームを偏向および収束する荷電粒子ビームの偏向・収束方法。
6. 荷電粒子ビームを偏向および収束するために用いる荷電粒子ビームの偏向・収束器具であって、
   荷電粒子ビームが入射される一方の端部の開口部の内径よりも他方の端部の開口部の内径が小径となるように前記一方の端部から前記他方の端部に向けて内径が絞られている管状の絶縁物と、
   荷電粒子ビームが入射される前記管状の絶縁物の前記一方の端部の開口部の端面に形成された導体と
   を有し、
   前記一方の端部の開口部の端面の帯電を防止して荷電粒子ビームを入射する
   ことを特徴とする荷電粒子ビームの偏向・収束器具。
7. 請求項６に記載の荷電粒子ビームの偏向・収束器具において、さらに、
   前記一方の端部の開口部の端面に隣接する内壁部位の帯電を中和する電子またはプラスイオンを供給する供給手段を
   有すること特徴とする荷電粒子ビームの偏向・収束器具。

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