JP6108975B2 - ガスクラスターイオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクラスターイオンビーム装置に関し、特に、ガスクラスターイオンビームの性能を向上させるための軸調整を容易に行うことができるクラスターイオンビーム装置に関する。

図５は、従来技術のガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す模式図である。
図５に示すように、従来のガスクラスターイオンビーム装置１０１は、第１及び第２の真空槽１０２、１０３を有している。

第１の真空槽１０２内には、図示しないガス導入系に接続された円錐形状で超音速型のノズル１０４を有し、ガス導入系から導入された希ガスを、ノズルから数気圧以上の高い圧力で真空中に噴出させて希ガスクラスターを生成するように構成されている。

ノズル１０４から噴出された希ガスの超音速噴流は、断熱膨張過程で熱運動が並進運動に変換されて温度が下がり、ガス原子（分子）はファンデルワールス力によって数百〜数千個の原子（分子）の集団の集まりになり、クラスタービームが生成される。

第１の真空槽１０２内において、ノズル１０４のクラスタービームの進行方向下流側には、スキマー１０５が配置されている。
スキマー１０５は、生成されたクラスタービームの中心部分を切り出すもので、スキマー１０５によって切り出されたクラスタービームが、第２の真空槽１０３内のビーム進行方向下流側に設けられたイオン化室１０６に導かれる。

イオン化室１０６には熱フィラメント１０７が設けられ、この熱フィラメント１０７から放出された熱電子がアノードグリッド１０８によって数１００Ｖに加速されてクラスタービームに照射され、これにより中性のクラスタービームが電子衝撃によってイオン化され、クラスターイオンビームが形成される。
第２の真空槽１０３内において、イオン化室１０６のビーム進行方向下流側には、クラスターイオンビームを加速・収束するための静電レンズ１０９が設けられている。

このような構成を有する従来技術では、ガスクラスタービームのビーム軸と、ガスクラスターイオンビームのビーム軸を合わせるのが難しかった。
このため、従来技術では、構成部品の精度、組み立てを行う作業者の熟練度によりガスクラスターイオンビームの性能（形状再現性、安定性）のばらつきが大きかった。

また、従来技術では、構造体の機械精度が十分でなく手動調整に頼っていたため、作業者の熟練度によりガスクラスターイオンビームに対し所期の性能を出すための調整時間が異なり、長時間化するという問題があった。
これに対し、機械加工精度を向上させた部品でガスクラスターイオンビーム装置を構成することも考えられるが、機械加工精度を向上させた部品を組み立てただけでは、ガスクラスターイオンビームの再現性と安定性がそれほど向上しない。

この場合、精密位置決めステージを用いることも可能であるが、精密位置決めステージは高額であるためコストが高くなってしまい、また、調整機構が大がかりであるため、装置自体が大きくなってしまうというデメリットがあった。

特開２００６−２９４３１７号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ガスクラスターイオンビームの形状の再現性と安定性を向上させる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、作業者の熟練度によらず、ビーム軸の調整作業を短時間で容易に行うことができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明は、ノズルから放出され、スキマーによって切り出されたガスクラスタービームをイオン化室内でイオン化して射出するガスクラスターイオンビーム装置であって、前記ノズルを有するノズル部材を保持するとともに、前記ガスクラスターイオンビームのビーム軸方向に対して直交する方向に延びるガイド面を有するノズル保持部材と、前記ノズル保持部材と、前記スキマーと、前記イオン化室とが所定の位置に位置決めされた状態で一体的に組み立てられる位置決め構造体とを有し、前記ノズル部材を前記ノズル保持部材のガイド面に沿って移動することにより、前記ガスクラスターイオンビームのビーム軸方向に対して直交する方向に関して前記ノズルの位置を調整するように構成されているものである。
本発明では、前記ノズル部材が弾性部材を介して前記ノズル保持部材に保持され、当該弾性部材の弾性力に抗して前記ノズル部材が移動するように構成されている場合にも効果的である。
本発明では、前記弾性部材が、エラストマーからなる場合にも効果的である。
本発明では、前記弾性部材が、Ｏリングによって構成されている場合にも効果的である。

本発明においては、ガスクラスターイオンビームの形状の再現性と安定性を向上させるとともに、作業者の熟練度によらず、ビーム軸の調整作業を短時間で容易に行うことができる。

本発明に係るガスクラスターイオンビーム装置の実施の形態の構成を示す模式図 （ａ）：ノズル部材を示す断面図（ｂ）：ノズル保持部材を示す断面図（ｃ）：ノズル部材をノズル保持部材に装着した状態を示す断面図 本実施の形態におけるノズルのビーム軸を調整する方法の例を示す説明図（その１） 本実施の形態におけるノズルのビーム軸を調整する方法の例を示す説明図（その２） 従来技術のガスクラスターイオンビーム装置の構成を示す模式図

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るガスクラスターイオンビーム装置の実施の形態の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態のガスクラスターイオンビーム装置１は、ノズル部材６０と、ノズル保持部材７０と、スキマー３と、イオン化室４とを有する一体型の位置決め構造体１０を有している。
ここで、ノズル部材６０とノズル保持部材７０とスキマー３は、第１の真空排気系１１に接続された第１の真空槽１２内に配置され、イオン化室４は、第２の真空排気系１３に接続された第２の真空槽１４内に配置されている。

ノズル部材６０は、図示しないガス導入系に接続された円錐形状で超音速型のノズル６１を有し、ガス導入系から導入された希ガスを、ノズル６１から数気圧以上の圧力の高い圧力で真空中に噴出させて希ガスクラスターを生成するように構成されている。

このノズル６１から噴出された希ガスの超音速噴流は、断熱膨張過程で熱運動が並進運動に変換されて温度が下がり、ガス原子（分子）はファンデルワールス力によって数百〜数千個の原子（分子）の集団の集まりになり、ガスクラスタービームが生成される。

スキマー３は、希ガスのクラスタービームが進行する軸方向（以下、「ビーム軸方向Ｐ」という。）下流側に配置されている。
スキマー３は、生成されたガスクラスタービームの中心部分を切り出すもので、スキマー３によって切り出されたガスクラスタービームがビーム軸方向Ｐの下流側に設けられたイオン化室４に導かれる。

イオン化室４には熱フィラメント４０が設けられている。
熱フィラメント４０からは熱電子が放出され、この熱電子がアノードグリッド４１によって数１００Ｖに加速されてガスクラスタービームに照射され、これにより中性のガスクラスタービームが電子衝撃によってイオン化され、ガスクラスターイオンビームが形成される。

第２の真空槽１４内において、イオン化室４のビーム軸方向Ｐの下流側には、静電レンズユニット５が設けられている。
静電レンズユニット５は、ガスクラスターイオンビームを加速・収束するためのもので、ここでは複数の静電レンズ５０がビーム軸方向Ｐに沿って配置されている。
本発明では、静電レンズユニット５の代わりに引き出し電極（図示せず）を設けてガスクラスターイオンビームを取り出すように構成してもよい。

また、本実施の形態では、静電レンズユニット５の静電レンズ５０のビーム軸方向Ｐの上流側には、アパーチャー５１が設けられている。
このアパーチャー５１は、その開口部５２の中心部が静電レンズ５０の中心部と一致するように配置構成されている。

本実施の形態の位置決め構造体１０は、ノズル部材６０を保持する後述するノズル保持部材７０と、スキマー３と、イオン化室４が、所定の位置に位置決めされた状態で一体的に組み立てられるように構成されている。
具体的には、ノズル保持部材７０と、スキマー３と、イオン化室４が、一般的な隙間はめ公差に基づいて、一体的に組み立てられるように構成されている。

図２（ａ）は、ノズル部材を示す断面図、図２（ｂ）は、ノズル保持部材を示す断面図、図２（ｃ）は、ノズル部材をノズル保持部材に装着した状態を示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、本実施の形態のノズル部材６０は、外径ｄの細長円筒形状に形成されたノズル６１を有し、このノズル６１のガス導入側に一体的に設けられたフランジ部６２を有している。

このフランジ部６２のガス放出側には、ノズル６１の中心軸即ちガスクラスタービームのビーム軸Ｍに対して直交する方向に延びる平面が形成された被ガイド面６３が設けられている。
そして、ノズル部材６０のフランジ部６２には、ノズル６１の中心軸Ｍと平行に延びる、ねじ孔６４が複数設けられている。

図２（ｂ）に示すように、ノズル保持部材７０は、上記ノズル６１の外径ｄより若干（０．０２〜０．４ｍｍ程度）径の大きな内径Ｄで形成された円筒形状の本体部７１を有し、この本体部７１の一方の端部にフランジ部７２が設けられている。
ノズル保持部材７０のフランジ部７２の本体部７１と反対側には、本体部７１の円筒の中心軸Ｎに対して直交する方向に延びる平面が形成されたガイド面７３が設けられている。

また、ノズル保持部材７０のフランジ部７２には、ノズル位置調整用の位置調整孔７４が複数設けられている。これら位置調整孔７４は、ノズル部材６０の上記ねじ孔６４と対応する数及びピッチで形成されている。
さらに、ノズル保持部材７０には、本体部７１のフランジ部７２側の端部に、本体部７１の内周面７１ａと連続するように例えば円形状の溝部７５が設けられている。

本実施の形態においては、ノズル保持部材７０の溝部７５に、弾性部材であるＯリング７６が装着されるようになっている。
本発明の場合、Ｏリング７６としては、通常のエラストマーからなるものを用いることができる。

この場合、Ｏリング７６がノズル保持部材７０の溝部７５に装着された状態において、位置ずれが生ずることがなく、その内径ｓが、ノズル保持部材７０の本体部７１の内径Ｄより小さく、かつ、ノズル部材６０のノズル６１の外径ｄより若干小さく当該ノズル６１が挿（圧）入可能な寸法のものを用いる。

一方、ノズル保持部材７０の本体部７１のフランジ部７２に対して反対側には、本体部７１と一体的に円筒形状の延長部７７が設けられ、この延長部７７の端部には、例えばリング状のスキマー支持部７８が設けられている。

このスキマー支持部７８には、上述したスキマー３が位置決めされた状態で取り付けられ、これによりスキマー３の中心部分、更には上述したイオン化室４の中心部分がノズル保持部材７０の本体部７１の中心軸Ｎ上に位置するようになっている。

図２（ｃ）に示すように、本実施の形態では、ノズル保持部材７０の溝部７５にＯリング７６が装着され、このＯリング７６にノズル部材６０のノズル６１が挿入されて組み立てられる。

この状態では、ノズル部材６０の被ガイド面６３がノズル保持部材７０のガイド面７３に当接している。また、ノズル部材６０のノズル６１の外周面６１ａと、ノズル保持部材７０の本体部７１の内周面７１ａは、接触せずにこれらの間に隙間が設けられて静止するようになっている。

また、上述したように、ノズル部材６０の被ガイド面６３はノズル６１の中心軸Ｍの直交方向に延びるとともに、ノズル保持部材７０のガイド面７３は本体部７１の中心軸Ｎの直交方向に延びることから、ノズル部材６０がノズル保持部材７０に保持された状態において、ノズル部材６０のノズル６１の中心軸Ｍと、ノズル保持部材７０の本体部７１の中心軸Ｎは平行になっている。

以上の構成により、本実施の形態では、ノズル保持部材７０、スキマー３、イオン化室４を位置決め構造体１０に組み付けた場合において、ノズル部材６０のノズル６１の中心軸Ｍとノズル保持部材７０の本体部７１の中心軸Ｎを平行に維持した状態で、ノズル部材６０をノズル保持部材７０の本体部７１の中心軸Ｎ即ちビーム軸方向Ｐに対して直交する方向に移動することができる。

ここで、本実施の形態では、ノズル部材６０とノズル保持部材７０との間にＯリング７６が介在しているため、Ｏリング７６の弾性力に抗してノズル部材６０を移動させることになるが、ノズル部材６０を移動させた後にノズル部材６０に対して外力を解除すると、Ｏリング７６の弾性力によってノズル部材６０は元の位置に戻る。

なお、本実施の形態においては、ノズル部材６０をビーム軸方向Ｐに対して直交する方向に移動させた場合に、ノズル部材６０のフランジ部６２のねじ孔６４が、ノズル保持部材７０のフランジ部７２の位置調整孔７４の範囲から外れないように、これらの位置及び寸法が設定されている。

図３及び図４は、本実施の形態におけるノズルのビーム軸を調整する方法の例を示すものである。
上述した構成を有する本実施の形態においては、図３に示すように、ノズル部材６０、ノズル保持部材７０、スキマー３、イオン化室４を位置決め構造体１０に組み付けた状態でノズル６１のビーム軸の調整を行う。

ここでは、ノズル部材６０をノズル保持部材７０に固定するためのボルト８０を、締結されない状態でノズル部材６０の上記ねじ孔６４に装着しておく。
また、イオン化室４に対し、静電レンズユニット５のアパーチャー５１の開口部５２の中心部を、図示しない治具を用いて位置合わせをしておく。

上述したように、位置決め構造体１０において、ノズル保持部材７０、スキマー３及びイオン化室４は、位置決めされた状態で組み立てられるようになっていることから、イオン化室４と、静電レンズユニット５のアパーチャー５１の開口部５２の中心部との位置合わせを行うことにより、ノズル保持部材７０、スキマー３、イオン化室４、静電レンズユニット５が相対的に位置決めされる。

この状態において、ノズル部材６０のビーム軸方向Ｐの上流側からレーザ光９０を照射し、静電レンズユニット５に対してビーム軸方向Ｐの下流側に配置したＣＣＤカメラ９１によってこのレーザ光９０を検出する。

この場合、レーザ光９０の光軸の位置座標を予め記憶しておくことにより、ＣＣＤカメラ９１によって検出されたレーザ光９０の光軸が、この位置座標からビーム軸方向Ｐに対して直交する方向（ビーム軸直交方向）にどれだけずれているかを検出することができる。

ここで、ノズル保持部材７０、スキマー３、イオン化室４、静電レンズユニット５は既に位置決めされているから、レーザ光９０のビーム軸直交方向についての位置ずれは、ノズル保持部材７０に装着されたノズル部材６０のビーム軸直交方向についての位置ずれに対応する。

そこで、例えば人手により、ノズル保持部材７０のガイド面７３に沿ってノズル部材６０をビーム軸直交方向にＯリング７６の弾性力に抗して移動させる。そして、移動した位置でボルト８０に対してナット８１をある程度締結することにより、ノズル部材６０をノズル保持部材７０に対して仮に固定する（図４参照）。

この状態で、ノズル部材６０のビーム軸方向Ｐの上流側から再びレーザ光９０を照射し、ＣＣＤカメラ９１によってこのレーザ光９０を検出する。
そして、ＣＣＤカメラ９１によって検出されたレーザ光９０の光軸のビーム軸直交方向についての位置ずれが予め定めた範囲内である場合には、ノズル部材６０の位置決めが終了したものとしてボルト８０とナット８１を完全に締結し、ノズル部材６０の位置調整作業を終了する。

一方、ＣＣＤカメラ９１によって検出されたレーザ光９０の光軸のビーム軸直交方向についての位置ずれが予め定めた範囲を超えている場合には、ボルト８０とナット８１を緩める。
これによりノズル部材６０に対する外力が解除され、Ｏリング７６の弾性力によってノズル部材６０は元の位置に戻るから、この位置を基準としてノズル部材６０を再度移動させる。そして、上述したように、ボルト８０とナット８１を仮締結し、レーザ光９０の照射及び位置ずれの検出作業を行う。
この作業は、ＣＣＤカメラ９１によって検出されたレーザ光９０の光軸のビーム軸直交方向についての位置ずれが予め定めた範囲となるまで繰り返し行う。

以上述べたように本実施の形態においては、ノズル保持部材７０と、スキマー３と、イオン化室４とが所定の位置に位置決めされた状態で一体的に組み立てられる位置決め構造体１０とを有し、ノズル部材６０をノズル保持部材７０のガイド面７３に沿って移動することにより、ガスクラスターイオンビームのビーム軸Ｐに対して直交する方向に関してノズル６１の位置を調整するように構成されていることから、ソース側であるガスクラスタービームのビーム軸と、イオン輸送側であるガスクラスターイオンビームのビーム軸を精度良く合わせることができ、これによりガスクラスターイオンビームの形状の再現性と安定性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、作業者の熟練度によらず、ビーム軸の調整作業を短時間で容易に行うことができる。
特に本実施の形態では、ノズル部材６０とノズル保持部材７０との間に弾性部材であるＯリング７６が介在しているため、Ｏリング７６の弾性力に抗してノズル部材６０を移動させた後にノズル部材６０に対して外力を解除することによりＯリング７６の弾性力によってノズル部材６０は元の位置に戻る。

その結果、この戻った位置からノズル部材６０の位置を再度調整することができ、目的とする位置への移動調整を容易に行うことができる。
さらに、本実施の形態によれば、Ｏリング７６を用いることにより、大がかりな調整機構を必要とせず、装置の小型化を達成することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。
例えば、弾性部材としてＯリングの他に種々の部材を用いることもできる。
ただし、Ｏリングを用いれば、既存の部品を用いて安定してノズル部材を保持することができ、またコスト的にも安価である。
また、ノズル部材及びノズル保持部材の形状についても上記実施の形態には限られず、種々の変更を行うこともできる。

１……ガスクラスターイオンビーム装置
３……スキマー
４……イオン化室
５……静電レンズユニット
１０……位置決め構造体
１２……第１の真空槽
１４……第２の真空槽
６０……ノズル部材
６１……ノズル
６３……被ガイド面
７０……ノズル保持部材
７３……ガイド面
７６……Ｏリング（弾性部材）

Claims (4)

1. ノズルから放出され、スキマーによって切り出されたガスクラスタービームをイオン化室内でイオン化して射出するガスクラスターイオンビーム装置であって、
   前記ノズルを有するノズル部材を保持するとともに、前記ガスクラスターイオンビームのビーム軸方向に対して直交する方向に延びるガイド面を有するノズル保持部材と、
   前記ノズル保持部材と、前記スキマーと、前記イオン化室とが所定の位置に位置決めされた状態で一体的に組み立てられる位置決め構造体とを有し、
   前記ノズル部材を前記ノズル保持部材のガイド面に沿って移動することにより、前記ガスクラスターイオンビームのビーム軸方向に対して直交する方向に関して前記ノズルの位置を調整するように構成されているガスクラスターイオンビーム装置。
2. 前記ノズル部材が弾性部材を介して前記ノズル保持部材に保持され、当該弾性部材の弾性力に抗して前記ノズル部材が移動するように構成されている請求項１記載のガスクラスターイオンビーム装置。
3. 前記弾性部材が、エラストマーからなる請求項２記載のガスクラスターイオンビーム装置。
4. 前記弾性部材が、Ｏリングによって構成されている請求項３記載のガスクラスターイオンビーム装置。

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