WO2017135332A1

WO2017135332A1 - 超小型加速器および超小型質量分析装置および超小型イオン注入装置

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Publication number: WO2017135332A1
Application number: PCT/JP2017/003678
Authority: WO
Inventors: 俊保坂
Original assignee: 俊保坂
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2017-08-10
Also published as: JP6708422B2; JP2017139074A

Abstract

【課題】イオン注入装置や質量分析装置を小型化し安価に作製し、誰もが利用できること。【解決手段】本発明は、主基板、主基板の上面に付着した上部基板、主基板の下面に付着した下部基板を含む複数の基板から構成されるイオン注入装置であり、イオンは、主基板の上面から主基板の下面に貫通する空洞（貫通室）を通って加速されるイオン注入装置であり、イオン注入装置は、複数の貫通室を有し、複数の貫通室は、イオンを発生するイオン化室、イオン化室で発生したイオンを引き出して所定速度まで加速させるイオン引き出し・加速室、イオン引き出し・加速室で加速したイオンを所望の質量／電荷比を有するイオンとして選別分離するイオン質量分離室、イオン質量分離室から選別分離したイオンを所定速度まで加速させるイオン加速室、イオン加速室で加速させたイオンを走査し、イオン注入装置の外部へイオンを出射するイオン走査・出射室を含むことを特徴とする。

Description

超小型加速器および超小型質量分析装置および超小型イオン注入装置

本発明は、加速器を用いた加速装置およびその製造方法に関する。たとえば、シンクロトロン、マイクロトロン、線形加速器、質量分析装置、イオン注入装置に関する。

加速装置は、陽子同士を衝突させて物質の成立を知るために使用したり、加速粒子軌道を曲げたときに発生する放射光を用いた微細パターン形成に使用したり、半導体の表面にイオンを打ち込むイオン注入を行ない活性層や表面改質を行なったり、物質から出るイオンを質量分析して物質の組成や構造を調査したり、ガン細胞に荷電粒子を打ち込み破壊するなど人間の病気治療に利用したりするなど、様々な分野で利用されている。

特開2003-036996 特公平5-36902

しかし、加速粒子の運動には超真空（１０^－３～１０^－６torr以下）が必要であり、高速の加速粒子にはかなり大きなサイズの空洞（たとえば、500mm以上）が必要であり、その中を通る加速粒子を加速したり、曲げたり、収束するには、大きな電場や大きな磁場を発生する電場発生装置や磁場発生装置が必要である。たとえば、荷電粒子を加速するには静電レンズを用いるが、数枚の静電レンズ（加速電極）を正確に平行にして荷電粒子の通る孔を正確にそろえなければならないので、それなりに大きなサイズの電極（たとえば、孔サイズ20mm径以上、電極サイズ300mm径以上）が必要で、しかもそれらを超真空の空洞内に入れる必要がある。従って、真空系も大きくなり、真空ポンプもかなり大きくて性能の良いものを使用する必要がある。さらに、磁場発生装置はその空洞（真空ライン）に入れるほどの大きさにすることができないため、しかもその空洞を囲む側壁も存在するため、目標とする荷電粒子までの距離が長くなる（たとえば、500mm以上）ので、大きな磁場発生装置が必要となる。そのような大きな磁場発生装置を超伝導材料の電磁石を用いて小さくしても冷却システムが大きくなるので、全体の磁場発生装置のサイズは殆ど変わらない。

さらに、近年、食の安全性が叫ばれているが、食品や飲料水に含まれている物質を簡便に迅速に、しかも個人で知ることは困難である。知らない間に人間は放射能や毒物に汚染され、気が付いた時には深刻な事態となっていることも多い。現状の装置では、サイズが大きく、重く、携帯できる精密分析装置はない。しかも装置価格が高いため入手が困難である。犯罪も複雑化し原因特定・犯人特定まで長期間要しているが、犯罪現場で迅速な分析が行なわれていれば、迅速に解決されるケースも多い。そのために、その場で正確で精度の高い分析ができる測定装置が求められている。考古学、環境科学等の現地調査を行ないながら科学研究を進める分野では、携帯用の精度の高い質量分析があれば、飛躍的に研究が前進する。また、装置が安価で小型であれば、大量な試料の分析を短時間に処理できるようになる。さらに、従来の加速装置は、荷電粒子を加速したり、曲げたり、また収束したりするために大きなサイズの電場発生装置や磁場発生装置を用いている。それらを精密に位置合わせする技術もかなり高度となり、加速装置の作製は手作りであるので、大量に安く早く作ることは不可能であった。

本発明は、超小型軽量で携帯可能であり、現場で簡便に迅速に測定できる質量分析装置、光速近くまで加速させた荷電粒子（電子、陽子、イオン）を発生する加速装置、高速のイオンを物質に注入するイオン注入装置を提供する。本発明は、以下の特徴を有する。
（１）本発明は、第１主基板、第１主基板の上面に付着した第１上部基板、および第１主基板の下面に付着した第１下部基板を含む複数の基板から構成されるイオン注入装置であって、イオンは、第１主基板の上面から第２主基板の下面に貫通する空洞（以下、貫通室）を通って加速されることを特徴とするイオン注入装置であり、前記イオン注入装置は、複数の貫通室を有し、前記複数の貫通室は、イオンを発生するイオン化室、前記イオン化室で発生したイオンを引き出して所定速度まで加速させるイオン引き出し・加速室、前記イオン引き出し・加速室で加速したイオンを所望の質量／電荷比を有するイオンとして選別分離するイオン質量分離室、前記イオン質量分離室から選別分離したイオンを所定速度まで加速させるイオン加速室、前記イオン加速室で加速させたイオンを走査し、前記イオン注入装置の外部へイオンを出射するイオン走査・出射室を含むことを特徴とする。

（２）本発明は、（１）に加えて、前記イオン加速室は、直線形状の貫通室であり、前記貫通室に中央孔を有する直方体形状の電極（イオン加速室直方体形状電極）が複数配置され、前記中央孔は第１主基板の面にほぼ平行であるとともに、荷電粒子の進行方向にもほぼ平行であり、前記中央孔は貫通室のほぼ中央に配置され、荷電粒子の通路であり、前記イオン加速室直方体形状電極へ高周波電圧または直流電圧を印加することによって、イオンを加速させることを特徴とし、また前記イオン加速室は、２つの直線形状の貫通室および２つの円形状の貫通室を接続した環状の貫通室であり、前記直線形状の貫通室は、前記貫通室に中央孔を有する直方体形状の電極（イオン加速室直方体形状電極）が複数配置され、前記中央孔は第１主基板の面にほぼ平行であるとともに、荷電粒子の進行方向にもほぼ平行であり、前記中央孔は貫通室のほぼ中央に配置され、荷電粒子の通路であり、前記イオン加速室直方体形状電極へ高周波電圧または直流電圧を印加することによって、イオンを加速させることを特徴とし、前記円形状貫通室は、前記円形状貫通室の両側の側壁面に形成した電極間に印加された電界によって円形状にイオンを曲げるか、前記円形状貫通室の上部に付着した第１上部基板の外側に配置した電磁石および前記円形状貫通室の下部に付着した第１下部基板の外側に配置した電磁石で発生する磁界によって円形状にイオンを曲げるかして、前記環状のイオン加速室をイオンが周回することを特徴とする。

（３）本発明は、（１）、（２）に加えて、前記イオン加速室直方体形状電極は、第１主基板と一体となった基板側壁電極であるか、支柱に支持された電極であり、前記イオン質量分離室は、円形状貫通室であり、前記円形状貫通室の両側の側壁面に形成した電極間に印加された電界によって円形状にイオンを曲げるか、前記円形状貫通室の上部に付着した第１上部基板の外側に配置した電磁石および前記円形状貫通室の下部に付着した第１下部基板の外側に配置した電磁石で発生する磁界によって円形状にイオンを曲げるかして、イオンを選別分離することを特徴とし、前記イオン走査・出射室は、イオン出口部において、貫通室の２つの側面に形成した電極に印加された電界、および貫通室の上下面に付着した第１上部基板と第１株基板に形成した電極に印加された電界によって、横方向（前記貫通室側面方向）および上下方向（前記貫通室上下面方向）にイオンを走査することを特徴とし、前記イオン加速室は、複数配置された環状形状であり、最も小さなイオン加速室の外側に順次複数の環状形状のイオン加速室が配置されていることを特徴とする。さらに本発明のイオン注入装置、加速器、質量分析装置は３Ｄプリンターによって作製されたものである。

本発明は、ＬＳＩやＭＥＭＳプロセスを用いて、加速装置や質量分析装置に必要な各機能を基板内に一挙に形成するので、各機能部分（たとえば、加速電極）の相互間の位置関係が極めて正確に形成される。しかも電極間距離や荷電粒子の通る通路をmmオーダーやμmオーダーで精密に形成できるので、サイズが極めて小さくなる。たとえば、電極間の距離が小さくなると電界強度が大きくなり、荷電粒子の加速や減速を効率的に制御できる。また、電極へ供給する高周波の周波数を大きくすることができるので、短距離でより大きな加速を行なうこともできる。さらに各機能部品を一括で作製できるので、製造コストが劇的に低減する。本発明をイオン注入装置へ適用した場合、本発明のような４インチ～８インチ｛直径100mm～200mm、厚み3mm以下(Si基板2mm、ガラス基板0.3mm×２)、８インチ以上も可能｝の基板を使用して、微小な試料供給部、イオン化室、引き出し電極・加速室、質量分離室（電場室、磁場室）、イオン加速室、イオン走査・出射室を作製したことは報告されていない。本発明のイオン注入装置は超小型｛本体：サイズ６インチウエハ(50cm³)以下、重量130g以下｝であり、一括製造であるから、製造コストは１０万円以下｛本体：サイズ６インチウエハ｝を実現できる。従来品は、同性能であれば、２ｍ×２ｍ×２ｍ以上、２トン以上であるから、極めて小さく軽くなる。

図１は、基板を用いた本発明の基本構造を示す図である。図２は、本発明のシンクロトロン型超小型加速装置を示す図である。図３は、円形加速器を分割して基板に作製する場合の模式図を示す図である。図４は、図２に示す荷電粒子発生装置の一例で平行平板型電極を有するイオン発生装置である。図５は、線形加速室を示す図である。図６は、高周波導波管を用いた荷電粒子加速管の一例を示す図である。図７は、本発明のコイル（電磁石）を用いて作製した収束用電磁石の役割を持つ四極電磁石を示す図である。図８は、図２における偏向電磁石等の荷電粒子通過空洞およびそこに配置された電磁石を示す図である。図９は、長い線形加速器を作製する方法を示す図である。図１０は、本発明の円形または線形加速器を医療用の超小型加速器に応用した実施形態を示す図である。図１１は、ガラス基板を上下面に付着したSi基板等を用いた本質量分析装置の断面図(基板面に垂直方向)を示す図である。図１２は、電子イオン化法を説明する図である。図１３は、二重収束型質量分析装置および検出部を示す図である。図１４は、本発明の最終製品（本体のみ）の完成図の概念図である。図１５は、基板貫通孔また基板凹部の側壁へパターンを形成する方法または装置を示す図である。図１６は、貫通孔側壁エッチング装置を示す図である。図１７は、型（モールド）を用いて本発明の加速器や質量分析装置の貫通室を作製する方法を示す図である。図１８は、前面および後面に発光体を配置した露光装置を示す図である。図１９は、モールドインゴット法を用いた中央孔を形成する方法を示す図である。図２０は、中央孔が形成される部分の中央孔高さの略半分の位置で切断した基板に中央孔を形成する方法を示す図である。図２１は、貫通室内壁を研磨して平滑でなめらかな面にするための方法（（ａ））および貫通室内壁へパターンを転写する方法について説明する図（（ｂ）、（ｃ））である。図２２は、本発明の環状型基板型イオン注入装置を基板面に平行に見た平面図である。図２３は、２つの環状軌道を有する環状型イオン注入装置を示す図で（平面図）ある。図２４は、イオン出射ラインと２段目環状軌道との接続領域の状態を拡大したもの（基板と平行な平面図）である。図２５は、２段に積層したイオン注入装置の軌道連結部の断面を示す図である。図２６は、ＲＦＱ型線形加速器の一例を示す図である。図２７は、図２６に示すＲＦＱ型線形加速器の作製方法を示す図である。図２８は、線形加速器の別の加速方法（ＩＨ型）を示す図である。図２９は、別の線形加速室における加速方法を示す図である。図３０は、荷電粒子の線形加速装置の構造を示す図である。

本発明は、基板内に空洞を形成し、その空洞内を荷電粒子が走る種々の装置、たとえばシンクロトロン、サイクロトロン、マイクロトロン等の円形加速装置、直線的に荷電粒子が進む線形加速装置、イオン注入加速装置、質量分析装置である。図１に示すように、本発明は、厚みｔ１の基板５００１内に複数の貫通孔５００２（５００２－１、２、３、・・）（基板の上面から下面にほぼ垂直に貫通する孔、または溝、幾つかの部屋を作製するので貫通室とも言う）（幅ｗ１、長さａ１、高さｔ１）を形成する。貫通室５００２の間は、中央孔５００３（５００３－１、２、・・・）（横幅（基板面方向の幅）ｗ２、長さｂ１、高さｔ２）で接続する。中央孔５００３は基板５００１の厚み方向の中央部分に形成された孔である。図１は基板内に形成した本発明の構造を示す図であり、図１（ａ）は基板面に対して平行な平面図であり、図１（ｂ）は基板面に垂直な断面図（長手方向、荷電粒子ビームの進行方向）であり、図１（ｃ）および図１（ｄ）は貫通室の基板面に垂直な断面図（長手方向（荷電粒子ビームの進行方向）に対して垂直方向）である。基板内には多数の貫通室５００２、中央孔５００３が形成されており、図では直線的に描いているが曲線的に曲がっている場合もある。
図１（ｂ）に示すように、基板（主基板という）５００１の上下面には上部基板５００６、下部基板５００７が付着しており、貫通室５００２は、接続する中央孔５００３を除いて外部環境に対して気密空間となっている。ただし、上部基板５００６または下部基板５００７に形成された気体や高周波等の導入孔・導出孔や、真空引き用の孔が空いている場合がある。あるいは、別の貫通室等や試料液（気体）導入用の中央孔が空いている場合もある。図１（ｃ）は、図１（ｂ）における貫通室５００２をＡ１－Ａ２方向の断面で見た頭であり、高さｔ１（主基板５００１の厚さ）、幅ｗ１の貫通室（空洞）となっており、貫通室５００２の上部は上部基板５００６に、下部は下部基板５００７に、両側面は主基板側面に囲まれていて、その断面形状はほぼ矩形（長方形または正方形）となる。すなわち、主基板における貫通室５００２の主基板側面は主基板表面に対して好適にはほぼ垂直となっている。

図１（ｄ）は図１（ｂ）における中央孔５００３をＡ３－Ａ４方向の断面で見た図であり、主基板５００１の中央部分に高さｔ２、幅ｗ２の孔があいている。貫通室５００２との位置関係が分かるように、貫通室５００２の側面５００４を点線で示している。すなわち、中央孔５００３は貫通室５００２の中央部分に空いている。（貫通室５００２と中央孔５００３が直線的に接続している場合）貫通室５００２と中央孔５００３が曲線状で曲がっている場合も中央孔５００３は貫通室５００２の延長上の空洞の中央部分に空いていると考えて良い。中央孔５００３は図１では矩形上に形成されているが、円形状でも良いし、台形状でも良い。あるいは、この中央孔５００３はエッチングやレーザーによって形成するので、略円形状、略台形状、略楕円形状、その他形状となる場合もある。中央孔５００３は主基板５００１に空いた孔であり、主基板５００１を完全に貫通していない。中央孔５００３が作製される主基板５００１の部分を基板側壁５００５とすると、中央孔５００３は基板側壁５００５の中央部分に形成された孔である。
貫通室５００２を囲む主基板５００１の側面５００４には電極を形成することができ、その電極に上下基板上に形成した外側電極から電圧を印加して、荷電粒子の位置や速度を制御できる。同様に、貫通室５００２を囲む上部基板５００６の下面、下部基板５００７の上面にも電極を形成することができ、その電極に上下基板上に形成した外側電極から電圧を印加して、荷電粒子の位置や速度を制御できる。中央孔５００３にも電極を作製でき、その電極に上下基板上に形成した外側電極から電圧を印加して、荷電粒子の位置や速度を制御できる。このようにして、貫通室５００２の側面や上下面に作製した電極、中央孔５００３に作製した電極に印加された電圧を制御することによって、中央孔５００３および貫通室５００２の中央部（電圧制御によっては、中央部からずらすことも可能）を通って進行する荷電粒子Ｇを発生させることができる。

主基板５００１の材料は、ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、各種プラスチック、各種セラミック、これらの複合体や貼り合わせ体等の絶縁体、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、各種２元・３元・多元半導体、これらの複合体や貼り合わせ体等の半導体、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅ等の金属、合金、これらの複合体や貼り合わせ体等の導電体である。上下部基板５００６、５００７は、ガラス、石英、サファイア、ダイヤモンド、各種プラスチック、高分子、各種セラミック、これらの複合体や貼り合わせ体等の絶縁体が良い。主基板５００１や上下基板５００６、５００７の大きさは、５０ｍｍ～１０００ｍｍの円形基板、または矩形基板であるが、露光装置、エッチング装置、各種膜形成装置のサイズによっては、１０００ｍｍ以上の大きなサイズでも良い。
主基板５００１の厚みｔ１は、貫通室５００２の高さ（深さ）を決定する。基本的に荷電粒子が通るサイズであれば良いが、通常は０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。荷電粒子の運動のバラツキ（ゆらぎ）によっては、２．０ｍｍ以上でも良く、２．０ｍｍ～１０ｍｍ、あるいは１０ｍｍ～５０ｍｍ、あるいは５０ｍｍ～１００ｍｍである。深さの大きい貫通室を作製する場合、厚さの小さな基板に貫通室を作製してそれらを重ねて作製することもできる。貫通室や電極、各種薄膜（導電体膜、絶縁体膜）等はＬＳＩプロセスやＭＥＭＳプロセスを使用できる。あるいは、レーザー加工や打ち抜きを使用することもできる。あるいは、３Ｄプリンター装置を用いて、積層し順次パターニングしながら膜付けおよび薄膜積層を行なって、貫通室や中央孔を含む基板を作製して本発明品を作製することもできる。あるいは、深い貫通室をインゴット体で作製し、所定厚さでインゴットを切断するという方法もある。上下基板５００６、５００７の厚みｔ３、ｔ４は貫通室内の真空を保持し、本発明の加速装置等の強度を保持できる厚みであれば良く、通常は、０．１ｍｍ～１ｍｍ、または１ｍｍ～３ｍｍであるが、強度を持たせるために３ｍｍより厚くしても良い。

貫通室５００２の幅ｗ１は、主基板５００１の厚みｔ１にも依存するが、ｔ１と同程度の幅が良いが、荷電粒子の制御方式によってはｔ１よりも小さくても大きくても良い。中央孔５００３のサイズｔ２、ｗ２は、貫通室５００２のサイズより小さいが、通常は１０μｍ～１００μｍ、または１００μｍ～５００μｍである。貫通室５００２が大きい場合は、５００μｍ以上でも良い。貫通室５００２の長さａ１はその貫通室の機能によって任意の長さを取ることができる。たとえば、ａ１は０．１ｍｍ～１０ｍｍ、または１０ｍｍ～５０ｍｍ、または５０ｍｍ～５００ｍｍである。中央孔５００３の長さｂ１もその機能により任意の長さを取ることができる。たとえば、ｂ１は０．００１ｍｍ～１０ｍｍ、または１０ｍｍ～５０ｍｍ、または５０ｍｍ～５００ｍｍである。尚、中央孔は貫通室同士を分離する目的もあるので、分離しなくても良い場合は、中央孔（を有する基板側壁）は設けなくても良い。

本発明の基本原理は以下の通りである。サファイアやガラスや石英等の絶縁基板（４インチウエハ以上、主基板とも言う）、またはＳｉやＧａＡｓ等の半導体基板の上下面にガラス基板・石英基板等の絶縁基板（上下基板とも言う）を付着して、主基板に複数の貫通室を作製する。隣接する貫通室は中央孔（中央に基板面と平行な水平方向溝が形成される）を有する基板側壁板で仕切られる。この中央孔を有する貫通室の形成方法は種々あるが、たとえば、中央孔の真中付近で主基板を上下別々に分けて、中央孔の半分および貫通室の半分を形成して、上側と下側を中央孔の所で付着させて作製できる。すなわち、一括基板型装置である。本発明は、加速器を基板上に作製したもので、加速空洞等の荷電粒子が通る空洞、荷電粒子を加速・減速または偏向する電界を発生する電極、荷電粒子を加速・減速または偏向する磁界を発生するコイル・電磁石を搭載するものである。図２（ａ）は、本発明のシンクロトロン型超小型加速装置を示す図で、超小型加速装置は1枚の基板９に搭載され、荷電粒子発生部１１、線形加速装置(入射側)部１３、各種電磁石配置部１５、１７、１９、２１、２２、２３、２６、２８、３１、３２、３５、３６、偏向電磁石配置部２５、３０、３４、３７、荷電粒子が通る空洞１２、１４、１６、１８、２０、２４、２７、３３、３８、４０、高周波加速空洞部２９、線形加速装置(出射側)部３９を有する。荷電粒子発生装置１１で発生した荷電粒子は、空洞１２を通り線形加速装置１３で加速され、空洞１４を通り偏向電磁石１５で軌道を偏向し、さらに空洞１６を通り偏向電磁石１７で軌道を偏向および／または収束し、さらに空洞１８を通り偏向電磁石１９で軌道を偏向し、次の空洞２０を通過し、インフレクター２１を介して、円形加速器８において荷電粒子が通る空洞である蓄積リング２４に入射する。空洞２０の途中に線形加速装置４２を設けて、インフレクター２１へ入る荷電粒子の速度を調節することもできる。

インフレクター２１から円形加速器８の蓄積リング２４に入射した荷電粒子は、（水平方向用）収束電磁石２２、（垂直方向用）収束電磁石２３で収束し、偏向電磁石２５で偏向・加速し、次の蓄積リング２７へ入り、ここでも高周波加速空洞２９でさらに加速し、（垂直方向用）収束電磁石２６、（水平方向用）収束電磁石２８で収束し、偏向電磁石３０で偏向・加速し、次の蓄積リング３３へ入り、ここでも（垂直方向用）収束電磁石３１、（水平方向用）収束電磁石３２で収束し、偏向電磁石３４で偏向・加速し、次の蓄積リング３８へ入り、ここでも（垂直方向用）収束電磁石３５、（水平方向用）収束電磁石３６で収束し、次の偏向電磁石３７で偏向・加速し、次の蓄積リング２４へ入る。このようにして、荷電粒子は、蓄積リング２４、２７、３３、３８中を加速しながら回り続け、所望の速度および所望の数の荷電粒子が得られたら、荷電粒子を外部へ導く空洞（これを荷電粒子排出空洞と呼ぶこともある）４０へ入り、荷電粒子排出空洞４０の出口４１から外部へ取り出す。荷電粒子排出空洞４０の途中に線形加速装置３９を設けて荷電粒子をさらに加速させることもできる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）で示した円形加速器（たとえば、シンクロトロン）８－１を有する超小型加速装置１０－１をさらに１回り大きい円形加速器８－２に接続した図で、２重シンクロトロン（あるいは２サイクルシンクロトロン）を示す図である。１つ目の小さな超小型加速装置１０－１の回りを２つ目のシンクロトロン８－２が取り巻いている。これらをまとめて超小型加速装置１０－２とする。１つ目の小さな超小型加速装置１０－１（図２（ａ）で示したものと同じと考えて良い）の出口４１－１（図２（ａ）の４１であるが、２つ目の大きなシンクロトロンの出口４１（これは４１－２）と区別する意味で「－１」をつけた。）は２つ目のシンクロトロン８－２のインフレクター２１－２へ接続する。すなわち、１つ目の小さなシンクロトロン８－１の出口４１－１を出た荷電粒子は、インフレクター２１－２を介して、円形加速器８において荷電粒子が通る空洞である蓄積リング２４－２に入射する。円形加速器８を出た空洞の途中に線形加速装置３９－１を設けて、インフレクター２１－２へ入る荷電粒子の速度を調節することができる。２つ目のシンクロトロン８－２の構造は１つ目のシンクロトロン８－１の構造と同じである。このようにいくつも円形加速器を接続することができる。これを用いて、荷電粒子の速度を上げることができる。またそれぞれの蓄積リングに荷電粒子を貯めておくことができるので、必要な量の荷電粒子を短時間で準備できる。たとえば、荷電粒子の通る蓄積リングの空洞直径を1mmとし、一番内側の超小型加速装置の大きさを半径50mmとし、リングピッチを3mmとし、基板の半径を270mmとすれば、70個の円形加速器を配置できる。リングを１つ増やしていくことにより２倍の速度になると、７０個目のリングでは、２^７０倍の速度となる。すなわち、１番目のリングで１ｃｍ／秒の速度とすると１２番目のリングで光速になり、本発明を用いると容易に荷電粒子の速度を上げることができる。本発明を用いると、陽子や重粒子（たとえば、Ｂ、Ｃ）を光速近くまで加速できるので、人体の外から癌細胞に照射して癌細胞を破壊することができる。

図３は、円形加速器８を分割して基板に作製する場合の模式図を示す図である。すなわち、基板を大きくできず、かつ円形加速器等が基板サイズに対して大きい場合に、加速器を作製する方法を示す。図２（ａ）に示すような円形加速器８がかなり大きく、たとえば２ｍ×２ｍの基板が必要であるが、１ｍ×１ｍの基板しか用意できない場合には、１ｍ×１ｍの４枚の基板４４－１～４４－４（破線で示す）を用意し、それぞれに円形加速器８の１／４のパターン４３－１～４３－４を作製する。接続部のパターンである４５－１、２、３、４の所で基板４４－１～４４－４を、たとえばダイシング装置で切断する。ここで接続すべき部分は、蓄積リング２４、２７、３３、３８であるから、この部分における蓄積リングの中心軸が合うように接続する。蓄積リング２４、２７、３３、３８の内部が超低圧にできれば、接続部は必ずしも確実に付着する必要はない。たとえば、この部分を被う部材または箱を用意して、基板４４－１～４４－４とその部材等を付着すれば良い。蓄積リング２４、２７、３３、３８の軸合わせを調整できるようなある程度柔軟性またはフレキシブルな部材等が望ましい。その部材等に真空引きラインを設けて、その内側を真空引きできるようにすれば尚良い。これを繰り返せば、極めて大きな円形加速器も作製できる。
図４は、図２に示す荷電粒子発生装置の一例で平行平板型電極を有するイオン発生装置である。図４は基板平面に対して垂直な（基板厚み方向の）断面構造である。主基板５１内に、プラズマ発生室である空洞７６、プラズマ発生室７６で発生した電子、陽子や各種イオン等の荷電粒子を取り出し加速装置（図２の１３）へ導く空洞７７が形成され、主基板５１の上面に第２基板（上部基板）５３、主基板５１の下面に第３基板（下部基板）５２が付着されている。プラズマ発生室７６において、上下部基板５３、５２上に（上下部）電極５８、５４が形成され、その周囲はシリコン酸化膜等の絶縁膜５９、５５が積層されて被覆されている。これらの電極５４および５８は対向するようにパターニング・配置され、主基板５１の上下両面に第２基板５３および第３基板５２が付着される。上下部基板５２にはコンタクト孔が開けられそのコンタクト孔にコンタクト電極（導電体膜）６０、５６が形成され、さらに、上下部基板５３、５２の片面に取り出し電極６１、５７が形成されている。これらの電極５７および６１間に整合回路７８および交流または高周波電極７９が接続され、一方の電極はアース接地される。電極５４および電極５８の電極間距離ｄ１は、主基板５１の厚みとほぼ同じ（厳密には、主基板の厚み－上下の電極厚み）であるから、たとえば、主基板の厚みを１mmとすれば、１００Ｖの印加により、１ＫＶ／cmの高電界が印加できるので、低電圧でプラズマ発生が可能である。もっと高電界を印加するには、高電圧をかける以外に、主基板の厚みを薄くしたり、あるいは、主基板（全体）の厚みを薄くできない場合は、電極を設ける部分だけの距離ｄ１を小さくするために、主基板を所定厚みだけエッチングしてその底部に電極を形成したり、あるいは上部基板または下部基板に突部を設けてその突部に電極を形成すれば良い。

図５は、線形加速室を示す図で、基板３０３に貫通室３０４、３０５、３０８が形成され、基板３０３上に上下基板３０１、３０２が付着されている。上記貫通室３０４、３０５、３０８の間には基板側壁３０３（３０３－１、２）が形成され、中央孔３０６（３０６－１、２）でつながっている。貫通室３０４は荷電粒子発生室、貫通室３０５は線形加速室、貫通室３０８はたとえば、空洞である。貫通室３０５内には、中央孔３１１を有する直方体（または円板）形状の電極（加速空洞電極）３１０が多数分離して配置されている。加速空洞電極３１０は導電性の支柱３１２で支持されている。導電性の支柱３１２はコンタクト導電体３１３に接続し、外側電極３１４に接続する。コッククロフト・ウォルトン型静電加速器の場合、各加速空洞電極の長さ（Wi）および電極間距離Liは同じで良く、荷電粒子Pの進行方向に印加電圧が高くなり、荷電粒子Pは徐々に加速される。たとえば、電極間距離Ｌが100μｍとすれば、加速空洞電極を１００個並べ、電圧５０Ｖを印加すると、陽子（ｍ＝1.6×10^－２７kg）は出口で速度ｕ＝1400km/ｓが得られる。線形加速室３０５（加速空洞室）の長さはわずか１０ｍｍ（１cm）である。外側電極から高周波電圧を印加することによって高周波加速も可能である。その場合、荷電粒子Ｐの速度に合わせて、加速空洞電極の長さＷｉおよび電極間距離Ｌｉを調整する必要がある。さらに、円板状加速空洞を作製することもできる。
図６は、高周波導波管を用いた荷電粒子加速管の一例を示す図で、円板装荷型進行波型加速管の一種である。図６（ａ）は基板面に垂直な断面図（の模式図）で荷電粒子ビームＧの進行方向に平行な図で、図６（ｂ）は基板面に平行な断面図（の模式図）で、図６（ｃ）は基板面に垂直な断面図（の模式図）で図６（ａ）および図６（ｂ）の左右方向から見た図で、中央孔の断面図である。図６に示す荷電粒子加速管２００は、主基板２０１に形成され、荷電粒子の通路となる貫通孔空洞２０４、主基板２０１の上面および下面に付着し、貫通孔空洞２０４を気密空間とする上部基板２０２および下部基板２０３で構成される。荷電粒子加速管２００は、荷電粒子の進行方向（貫通項空洞の長手方向）Ｇにおいて、その両側は中心部が孔（中央孔）の空いた基板隔壁２０１Ｓ－Ａおよび２０１Ｓ－Ｂで仕切られ、さらにその間に中心部が孔（中央孔）の空いた基板隔壁２０１Ｓ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）で仕切られた複数の空間が形成され、それらの空間の両側には、マイクロ波等の高周波の導入口２０８が上部基板２０２にあいている（下部基板２０３にあいていても良い）空間（これを高周波導入室と記載することもある）２０４Ｃ－Ａおよびマイクロ波等の高周波の導出口２０９が上部基板２０２にあいている（下部基板２０３にあいていても良い）空間（これを高周波導出室と記載することもある）２０４Ｃ－Ｂがあり、それらの間に荷電粒子を加速する複数の空間（加速キャビティと記載することもある）２０４Ｃ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）がある。また、これらの空間には、上部基板２０２または下部基板２０３に真空排気口２１０が適宜あいていて、この真空排気口２１０は真空ポンプ２１３に接続し、荷電粒子の通る空間を真空に近い状態にしている。図６では真空排気口２１３は高周波導入室または高周波導出室に開いているが、これらに限定されず他の空間や空洞に設けても良い。

本発明で使用する主基板としてシリコン基板等の半導体基板を用いる場合、主基板は電気抵抗が高いので荷電粒子加速管２００内の多数の貫通孔空洞２０４内には導電体膜２０６を形成する。すなわち、主基板２０１に形成された空洞２０４において、主基板２０１の空洞側面に導電体膜２０６Ｓ１および２０６Ｓ２が、上部基板２０２の下面に導電体膜２０６Ｕが、下部基板２０３の上面に導電体膜２０６Ｂが形成される。図６（ｃ）は中央孔２０５における断面図であるから、導電体膜２０６Ｓ１、Ｓ２、Ｕ、Ｂは見えないが、ここは透視しているとして描いている。中央孔２０５は基板側壁２０１Ｓ－ｉ（ｉ＝１、２、・・・）の中央に配置され、その中央孔２０５の内面にも導電体膜２０６が環状に形成されている。中央孔２０５の断面は長方形状に記載されているが、中央孔２０５は主基板２０１を分割した状態でエッチング法（ウエットまたはドライ）で形成するので、台形を上下に合わせた形状や楕円状、あるいは円状など種々の形状に形成することができる。
加速キャビティ２０４Ｃ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）の内壁に高周波の電流が流れるので、導電体膜２０６は導電性が良い方が良く、たとえば銅や金、銀、アルミニウム、タングステン、コバルト等がベターである。温度が上がる可能性がある場合は、融点の高い金属膜が良い。本発明の荷電粒子加速管は小さくすることも可能なので、超伝導体膜を使いこの装置全体を低温に冷やして使用することもできる。超伝導体膜として、ニオブ（Ｎｂ）、ニオブ－チタン（Ｎｂ－Ｔｉ）、ニオブ－スズ（Ｎｂ－Ｓｂ）、二硼化マグネシウム、酸化物高温超電導体（イットリウム系、ビスマス系等）がある。これらをスパッター膜、塗布膜として形成できる。主基板２０１の厚みをｈ２、横幅（平面幅）をａ２とし、導電体膜２０６の厚みをｔ２とすれば、貫通孔空洞２０４の深さｄ５はｈ２－２ｔ２、貫通孔空洞２０４の横幅ｂ２はａ２－２ｔ１となる。主基板２０１と導電体膜２０６の間に絶縁膜（たとえば、シリコン酸化膜）や密着性向上膜（たとえば、Ｔｉ、ＴｉＮ膜）を形成する場合、導電体膜２０６の上に絶得膜（保護膜）を形成する場合は、それらの膜の厚みも考慮する必要がある。

荷電粒子Ｇは荷電発生装置等から発射され、空洞２０４－１の内部を通過して、荷電粒子加速管２００の入り口である基板隔壁２０１Ｓ－Ａの中央孔２０５を通り荷電粒子加速管２００へ進入する。荷電粒子Ｇは、高周波導入空間２０４Ｃ－Ａへ入った後、基板隔壁（側壁）２０１Ｓ－１の中央孔２０５を通って加速空間２０４－１に入り、次々と基板隔壁２０１Ｓ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）の中央孔２０５を通って加速空間２０４Ｃ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）に入り、最後に高周波導出空間２０４Ｃ－Ｂへ入った後、荷電粒子加速管２００の出口である基板隔壁２０１Ｓ－Ｂの中央孔２０５を通り、荷電粒子加速管２００の外側の空洞２０４－２へ出ていく。高周波２１１は、高周波導入口２０８から高周波導入空間２０４Ｃ－Ａへ入り、各基板隔壁の中央孔２０５を通り、各加速空間２０４Ｃ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）で荷電粒子を加速する高周波電界を形成し、高周波導出空間２０４Ｃ－Ｂへ出て、高周波導出口２０９から高周波２１２として出ていく。従って、荷電粒子は各加速空間２０４Ｃ－ｉ（ｉ＝１、２、３、・・・）で発生する加速電界により次々に加速されて、基板隔壁２０１Ｓ－Ｂの中央孔２０５を通って荷電粒子加速管２００を出ていく。加速管２００には、加速された荷電粒子の発散を収束する収束用電磁石２０７を設けることもできる。収束用電磁石２０７は、荷電粒子Ｇが基板隔壁２０１Ｓ－Ｂの中央孔２０５を出た後の空洞２０４の部分に設置される。たとえば、図６に示すように４極電磁石２０７（２０７－１、２、３、４）を空洞２０４の周囲に配置する。図６（ｄ）は、４極電磁石が配置された部分において空洞２０４の長手方向に垂直な断面構造を示す図である。空洞２０４の両横側面には基板側壁２０１Ｓ－Ｓ１および２０１Ｓ－Ｓ２を挟んで、コイル２０７－２およびコイル２０７－４が形成されている。コイル２０７は空洞２０４の中心部に近いほど磁束密度（または磁界）が強くなり、荷電粒子の制御が容易となる（荷電粒子Ｇは空洞２０４の中央部を通る）ので、基板側壁２０１Ｓ－Ｓ１および２０１Ｓ－Ｓ２は薄い方が良い。ＬＳＩプロセスを使用できるので、たとえば、１０μｍ～１０００μｍと非常に薄い基板側壁も形成可能である。

空洞２０４の上部には上部基板２０２が存在するが、この上部基板２０２の上方に、または上部基板２０２の内部に埋め込んで、または上部基板２０２の上部または内部に、コイル２０７－１を配置する。コイル２０７は空洞２０４の中心部に近いほど磁束密度（または磁界）が強くなり、荷電粒子の制御が容易となる。従って、上部基板２０２の上方に配置する場合は、コイル２０７－１をできるだけ上部基板２０２の上面に近づける。最適にはコイル２０７－１を上部基板２０２の上面と接するようにすれば良い。コイル２０７－１を上部基板２０２の内部に埋め込むか、上部基板２０２の内部に形成する場合は、空洞２０４とコイル２０７－１の底面と空洞の間に存在する上部基板２０２は、上部基板２０２－Ｕであるが、この部分の厚みは上部基板２０２の厚みより薄い。この上部基板２０２－Ｕの厚みは薄いほど良いが、たとえば、１０μｍ～１０００μｍと非常に薄くすることもできる。空洞２０４の下部には下部基板２０３が存在するが、この下部基板２０３の下方に、または下部基板２０３の内部に埋め込んで、または下部基板２０３の内部に、コイル２０７－３を配置する。コイル２０７は空洞２０４の中心部に近いほど磁束密度（または磁界）が強くなり、荷電粒子の制御が容易となる。従って、下部基板２０３の下方に配置する場合は、コイル２０７－３をできるだけ下部基板２０３の下面に近づける。最適にはコイル２０７－３を下部基板２０３の下面と接するようにすれば良い。コイル２０７－３を下部基板２０３の内部に埋め込むか、下部基板２０３の内部に形成する場合は、空洞２０４とコイル２０７－３の上面と空洞の間に存在する下部基板２０３は、下部基板２０３－Ｂであるが、この部分の厚みは下部基板２０３の厚みより薄い。この下部基板２０３－Ｂの厚みは薄いほど良いが、たとえば、１０μｍ～１０００μｍと非常に薄くすることもできる。

図６（ｄ）に示すように、主基板２０１の横方向中心線をＣ１としたとき、空洞２０４の中心Ｏ１は横方向中心線Ｃ１上にあり、コイル２０７－２およびコイル２０７－４の軸が横方向中心線Ｃ１と揃うようにコイル２０７－２およびコイル２０７－４を主基板２０１内に配置する。また、コイル２０７－１およびコイル２０７－３の軸が、空洞２０４の中心Ｏ１を通り横方向中心線Ｃ１と直交する縦方向中心線Ｃ２と揃うようにコイル２０７－１およびコイル２０７－３を配置する。このように４極電磁石（コイル）を配置することによって、空洞２０４内の磁界分布を対称形に近い状態にできるので、荷電粒子を空洞２０４の中心Ｏ１の近傍に収束することができる。特に基板側壁２０１Ｓ－Ｓ１および２０１Ｓ－Ｓ２の厚みをほぼ等しくし、コイル２０７－２およびコイル２０７－４の特性を同じくし、また空洞２０４の中心Ｏ１に対して対称な位置に配置すること、さらに２０２－Ｕおよび２０２－Ｂの厚みをほぼ等しくし、コイル２０７－１およびコイル２０７－３の特性を同じくし、また空洞２０４の中心Ｏ１に対して対称な位置に配置すること、さらにコイル２０７－１、コイル２０７－２、コイル２０７－３およびコイル２０７－４の特性を同じくすることによって、空洞２０４内の磁界分布を対称形に近い状態にできる。ただし、本発明の四重極電磁石は構成するコイルの特性や配置、基板側壁や基板の厚みが多少異なっても、個別のコイルに印加する電圧を自由に設定でき、空洞２０４の内部磁界を自由に変化させることができるので、荷電粒子のビームを空洞中心Ｏ１の近傍に収束することは容易である。尚、空洞２０４の中心Ｏ１は、荷電粒子の進行方向Ｇであり、従って、中央孔２０５の中心は空洞２０４の中心Ｏ１と一致するようにすることが望ましい。
基板側壁２０１Ｓ－ｉの幅、すなわち中央孔２０５の長さをｍ１、加速キャビティ２０４Ｃ－ｉの長さ（荷電粒子加速装置２００の長手方向のサイズ）をｐ１とすると、高周波導入室２０４Ｃ－Ａおよび高周波導出室２０４Ｃ－Ｂの距離は、（ｎ＋１）×ｍ１＋ｎ×ｐ１となる。（荷電粒子加速装置２００がｎ個の加速キャビティを有するとき）それぞれの加速キャビティの長さｐ１や中央孔２０５の長さをｍ１の長さを変化させて、加速電界分布を変化させても良い。また、空洞２０４のサイズ（ａ２、ｈ２）や中央孔２０５のサイズ（たとえば、中央孔２０５が矩形の場合は、縦や横の長さ、中央孔２０５が円形の場合は、直径）を変化させて、加速電界分布を変化させても良い。本発明の荷電粒子加速装置は、ＬＳＩプロセスを用いて作製できるので、これらの大きさを容易に安価に変化させることができる。また、四極電磁石の大きさや数も空洞２０４のサイズに合わせて自由に変化させることができる。

図７は、本発明のコイル（電磁石）を用いて作製した収束用電磁石の役割を持つ四極電磁石を示す図である。荷電粒子通過空洞２０４－２の左右（Ｙ方向）に設けた空洞（コイル挿入用空洞）１２０－１および１２０－２にはコイル１１８－１および１１８－２がそれぞれ配置され、その上部には第２基板（上部基板）２０２が、その下部には第３基板（下部基板）２０３が付着している。このような加速装置における荷電粒子通過空洞２０４－２の上にある第２基板（上部基板）２０２の上に、第４基板１５３（１５３－１）に付着したコイル１４０（１４０－１）の下面を付着させる。第２基板（上部基板）２０２の付着面に接着剤を塗布したり、接着シートを塗布して、コイル１４０（１４０－１）を付着する。あるいは、コイル１４０（１４０－１）の下面に接着剤を塗布したり、接着シートを塗布して、コイル１４０（１４０－１）を付着する。荷電粒子通過空洞２０４－２の下側も全く同じようにコイル１４０－２を配置できる。また、紙面に垂直方向に、すなわち荷電粒子通過空洞２０４－２に沿って、複数のコイル１１８（１１８－１、２）およびコイル１４０（１４０－１、２）を配置でき、複数の四極磁石空間を同時に、しかも簡単に作製できる。この四極電磁石により、荷電粒子通過空洞２０４－２を通る荷電粒子の収束および発散を制御することができる。図７では、基板コイルを配置させたが、通常の電磁石を配置しても良い。横側は、このままでは電磁石を配置できないので、荷電粒子を収束する部分において、荷電粒子を収束する部分の外側領域（両側）を荷電粒子軌道に略平行に切断して基板に開口部領域（両側）を設けて、その開口部領域に荷電粒子軌道に垂直に磁場が印加されるように、電磁石を配置する。領域としてはスペースが限定されているので、小型で強力磁場を発生するものが望ましい。超伝導磁石の方が容器スペースも考えて磁場強度が所望の大きさを得られるなら超伝導磁石を配置することもできる。本発明の加速器はサイズが小さいので、電磁石を配置する部分全体を超伝導を保持できる温度にする容器内に納めても余り大きな容器サイズとならない。
図８は、図２における偏向電磁石２５、３０、３４、３７等の荷電粒子通過空洞およびそこに配置された電磁石を示す図である。図８（ａ）は偏向電磁石部分の荷電粒子通過空洞２５７およびコイルの配置状態を示す図である。荷電粒子通過空洞２５７は、中心軌道が半径Ｒの曲率を持ち、その曲率に沿った空洞である。この空洞の上下に電磁石である微小コイル２５８が多数配列している。微小コイル２５８は荷電粒子通過空洞２５７の全体を覆って密に配置される。荷電粒子Ｇは、荷電粒子通過空洞２５７の入り口から入って、荷電粒子通過空洞２５７内の垂直磁界によりローレンツ力を受けて軌道半径Ｒで円運動を行ない荷電粒子通過空洞２５７の出口から出ていく。荷電粒子通過空洞２５７を曲率中心に垂直な断面Ａ１－Ａ２に沿った断面図を図８（ｂ）に示す。主基板２６１に形成された貫通室２６４の上下を上部基板２６２および下部基板２６３で閉じている。この貫通室２６４が荷電粒子通過空洞２５７であり、中心軌道が半径Ｒの円軌道を有する空洞となっている。上部基板２６２の上面にコイル２６０（２６０－１、２、３）が複数配置されている。コイル２６０（２６０－１、２、３）は第４基板２６６に付着し、第４基板２６６は支柱２６５（２６５－１、２）に付着し、支柱２６５は上部基板２６２に付着している。下部基板２６３も同様にコイル２５９（２５９－１、２、３）を配置する。尚、磁界強度が不足する場合は、超伝導磁石を用いたり、通常の大きな電磁石を用いることもできる。

図９は、長い線形加速器を作製する方法を示す図である。１枚の基板の中に多数の直線空洞（加速室および収束室を含む）を作製し、その直線空洞を切りだして空洞同士を連結すれば、任意の長さの線形加速器を作製できる。たとえば、1m×1m基板を用いて、加速器幅10mm(空洞幅5mm)の単位線形加速器は100個取れるので、100m長さの線形加速器を作製できる。100m長さにすれば陽子や粒子（B、C等）の速度を20万km/sec以上に加速できるので、医療用の加速器として使用できる。さらに、もっと長い加速器もできるので、光速で高エネルギーの粒子加速器を作製可能であり、物質の構造解析や素粒子実験用の研究用加速器として使用できる。図１０は、本発明の円形または線形加速器を医療用の超小型加速器に応用した実施形態を示す図である。ＭＲＩやＣＴで用いられているようなトンネルドームに本発明の加速器を複数並べてそれぞれの加速器から陽子や重粒子（たとえば、Ｂ、Ｃ）を照射できるようにする。たとえば癌患者をトンネル内に寝かせて、癌患者の癌細胞をねらって本発明の加速器からイオンビーム（中性子または中性粒子にして出す場合もあり）を体内に打ち込む。イオンビームは光速または近光速であるから癌細胞に照射できる。本発明の加速装置は小さいので、（たとえば、縦・横５０ｃｍ～１００ｃｍ、厚さ１ｃｍ～１０ｃｍ）トンネルドームに多数の加速装置を配置できる。１０台配置すれば、従来の１／１０の強度のイオンビーム量で種々の方向からイオンビームを体内の癌細胞へ照射できる。すなわち、一つ一つの加速器から出るイオンビームの量を少なくして照射できるので、癌細胞以外の人体を傷めずに癌細胞を死滅させることができる。しかも本発明の加速装置の利点は、本加速装置と一緒にＭＲＩやＣＴ（たとえば、Ｘ線やＰＥＴ）をトンネルドームへ配置できるので、患者の癌細胞を監視しながらイオンビームを照射できるから、癌細胞へピンポイントで確実に照射可能となる。本発明の加速装置のイオンビームは電界や磁場をかけて自由に走査できるし、装置自体は軽いので装置自体を自由に動かすこともできるから、イオンビームを効率的に照射することもできる。また、本発明の加速装置は多数の軌道を持つことができるから、それらの軌道でイオンビームを待機させておくことによって、短時間に多数のイオンビームを連続的に照射できる。尚、本発明の加速装置は基板一括作製であるから、小型でコストが安いため医療用だけでなく、各種研究機関で容易に導入でき、種々の物質の構造解析を迅速に飛躍的に進めることができ、新規物質の作製や創薬開発も活発に行なうことができるようになる。尚、容易に分かるように、本発明の加速装置は基板で一括作製できるだけでなく、３Ｄプリンターを用いることによって、複雑な構造の本発明の加速装置も容易に作製できる。

本発明の質量分析装置において、Si基板（４インチウエハ以上）の上下面にガラス基板を付着して、Siウエハに複数の貫通室を作製する。隣接する貫通室は中央孔（中央に基板面と平行な水平方向溝が中央に形成される）を有する基板側壁板で仕切られる。この中央孔を有する貫通室の形成方法は種々あるが、たとえば、中央孔の真中付近で上下別々に分けて、中央孔の半分および貫通室の半分を形成して、上側と下側を中央孔の所で付着させて作製できる。すなわち、一括基板型装置である。図１１は、ガラス基板を上下面に付着したSi基板等（４インチウエハ以上が良いが、４インチ以下でも作製できる）を用いた本質量分析装置の断面図(基板面に垂直方向)を示す。本質量分析装置は、試料供給部、イオン化部、引き出し電極部、質量分析部、イオン検出部から構成される。試料供給部から供給された試料ガスまたは試料液体は、イオン化部出口で霧（ガス）化し、高電界が印加されるイオン化部でイオン化する。その発生したイオンは引き出し電極・加速電極部の引き出し電極により引き寄せられ、加速または減速・収束して、電場室および磁場室を有する質量分析部へ入り、質量分析部で質量電荷比ｍ／ｚ（ｍ：質量、ｚ：電荷）に応じて選別され、イオン検出部へ出射される。イオン検出部でイオン電荷が電子増倍され電流としてイオン量が検出される。本発明は、ガスクロマトグラフィや液体クロマトグラフィーなどと結合した質量分析装置（GC－MS、LC－MS）の一括基板型装置とも言える。（尚、固体試料へも応用できる。）
図１１に示す試料供給部およびイオン化部は、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）を本発明に適用したものである。試料は、目標物質（試料）を含む液体（試料液）を使用するので、液体クロマトグラフィー（LC）－ESI法の一種である。試料液の入る試料導入ライン１７を上部基板２の開口部１４に接続する。Ｓｉ基板の中央（厚さ方向における）に形成された中央孔（試料導入管）１１－１が形成されており、その中央孔（試料導入管）１１－１の入り口側は厚み方向に形成された縦孔（試料導入管）１３に接続し、その縦孔（試料導入管）１３は上部基板２の開口部１４に接続する。中央孔（試料導入管）１１－１の出口側は、イオン化部のイオン化室４－１に接続する。試料液は矢印Ａから入り、中央孔（試料導入管）１１－１はキャピラリ（毛細管）になっているので、イオン化室に入った所で広がり、霧化（ガス化）（記号A-1で示し、スプレーガスとも言う）する。上部基板２の開口部１４、縦孔（試料導入管）１３のサイズは比較的自由に選択できる。中央孔（試料導入管）１１－１のサイズはＳｉ基板１１の厚みに依存するが、Ｓｉ基板１１も積層すれば自由に厚みを増大することもできる。従って、たとえば、Si基板１１の厚みは、0.5mm～10mmで調節でき（もちろん、これより広い範囲で調節も可能）、中央孔（試料導入管）１１－１の直径は50μｍ～1mm（主基板厚みが厚い場合（１ｍｍ～２０ｍｍ）は、これ以上でも良い）を正確に作製でき、毛細管としての機能を発揮できる。中央孔（試料導入管）１１－１には加熱用導電体膜９－７、１０－７も形成できるので、試料を加熱することもできる。あるいは、中央孔１１－１の外側において凹部、この導電体膜電極９－１に上部基板２に形成されたコンタクト配線５を通して、上部基板２の上面に形１５を上下に設けて、この部分に熱い液体や気体を流したり、または薄膜抵抗体を形成し電気加熱して、中央孔１１－１内の温度を高めることもできる。逆に冷却もできる。

イオン化室４－１は、Ｓｉ基板１内に形成された貫通室であり、上部が上部基板(たとえば、ガラス基板や石英基板)２、下部が下部基板３、左側面（図１１における）が中央孔１１－１を有する基板側壁１－１、右側面が中央孔１１－２を有する基板側壁板１－２、奥側側面および手前側側面もSi基板側壁によって囲まれている。上部基板２の下面の一部には導電体膜電極９－１が形成さ成された外側電極７－１が接続する。また、導電体膜電極９－１は中央孔内面の導電体膜電極９－７と接続する。下部基板３の上面の一部には導電体膜電極１０－１が形成され、この導電体膜電極１０－１に下部基板３に形成されたコンタクト配線６を通して、下部基板３の下面に形成された外側電極８－１が接続する。また、導電体膜電極１０－１は中央孔内面の導電体膜電極１０－７と接続する。導電体膜電極９－１は、上部基板２に形成してからＳｉ基板１に付着して、形成できる。あるいは、上部基板２を付着したＳｉ基板１に貫通室４－１を形成してから、導電体膜電極９－１を形成することもできる。このとき、中央孔１１－１も形成できるので、中央孔内面に導電体膜電極９－７も形成することができる。導電体膜電極１０－１および１０－７も同様である。また、貫通室内において、記載していないが、導電体膜とＳｉ基板１との間には絶縁膜（ＣＶＤ法等で積層、たとえば、SiO2膜やSiN膜）が形成されている。（尚、絶縁膜は、他の部分についても記載していない。）また、導電体膜の上には保護膜として絶縁膜を形成することもできる。

上部基板２側に付着したSi基板１uと下部基板３側に付着したSi基板１bとは、貫通室、中央孔、絶縁膜、導電体膜、保護膜等を形成した後にSi側の面で付着する（付着面を一点鎖線Mで示す）。この付着法として、常温接合、接着剤を使用した接着、間にガラス基板を挟んで静電陽極接合等を使うことができる。従って、毛細管としての中央孔１１－１の内面の導電体膜電極９－７および１０－７には、外側電極７－１および８－１から100V～4000V、または4000V～100000Vの高電圧を印加できる。（対電極は、基板側壁板１－２上の導電体膜電極１０－２－１である。）この結果、試料液が毛細管である中央孔１１－１を通り、イオン化室４－１の出口１８において帯電した液滴（スプレーガス）A-1となって、貫通室４－１に放出される。貫通室４－１内は、導電体膜電極９－１、１０－１の一部を使って加熱することもでき、また開口部１６を上下基板２、３に設けてポンプに接続し、気化した溶媒を速やかに排出することもできる。また、前述したように中央孔１１－１を加熱することもできるので試料液Aのガス化を助けることもできる。この結果、帯電液滴（スプレーガス）は微細粒子化・乾燥し、試料がイオン化する。イオン化室４－１の温度が他の部分へ伝達しないようにするために、イオン化室４－１の周囲や中央孔１１－１の周囲に凹部１５と同様の凹部を設けて、その凹部に冷却ガス（ドライアイスガス等）や冷却水を導入することもできる。また、イオン化室等の汚れは、開口部からパージガスやクリーニングガス、あるいは洗浄液等を導入し、常にクリーンな状態を保持することもできる。本発明の貫通室の容積は非常に小さいので、クリーニング後も短時間で元の状態へ復帰しやすい。尚、イオン化法は、他のイオン化法（大気圧化学イオン化（APCI）、大気圧光イオン化(APPI)、電子イオン化（EI）、平行平板電極による高周波プラズマによるイオン化）も本発明の一括基板型で作製可能である。また、イオン化室４－１に設けた開口部から外部で発生したイオンを導入することもできる。

図１２は電子イオン化(EI))法を説明する図である。イオン化室３４－１は、上部基板３２、下部基板３１が上下面に付着したSi基板３１内に形成された貫通室であり、開口部４２から試料ガスＧが導入され、開口部４３から真空引きされ、低圧にされる。下部基板面にタングステン(W)膜のフィラメント４１が形成され、外側電極３８－１－１および３８－１－２で電流が流れ、フィラメント４１が加熱され熱電子(ｅ)が発生する。熱電子ｅは対面する上部基板面に形成された電子トラップ電極３９－１－２に向かって飛んでいく。（イオン化電圧５０Ｖ～１００Ｖ）イオン化室３４－１へ導入された試料ガスＧは熱電子によりイオン化する。（Ｍ＋ｅ^－→Ｍ^＋＋２ｅ－）生成したイオンは、基板側壁３１－１の側面に形成された導電体膜電極（リペラー電極）４０－１－１により押し出され、イオン化室３４－１から隣の引き出し電極・加速電極室３４－２へ送られる。引き出し電極・加速電極室３４－２ではイオンは引き出し電極・加速電極４０－２－１、２により加速し、図１１等に示した隣の質量分析室へ入射する。必要なら、さらに電極を並べて加速または収束させる。上部基板の外側に電磁石コイルＢ－３が配置される。（下側Ｎ極）下部基板の外側に電磁石コイルＢ－４が配置される。（上側Ｎ極）このようにイオン化室を磁石で挟むことにより、フィラメント４１から出た熱電子ｅは磁場により螺旋を描きながら電子トラップ電極３９－２－２へ向かい、試料ガス分子との衝突時間（機会）が増えて、イオン化効率を増大させることができる。他の方式についても本発明で作製でき、イオン種により最適の方式を選定できる。引き出し電極室４－２は、中央孔１１－２を有するＳｉ基板側壁板１－２によりイオン化室４－１と仕切られている。Ｓｉ基板側壁板１－２に接近して中央孔１１－３を有するＳｉ基板側壁板１－３が配置され、Ｓｉ基板側壁板１－２の側面および中央孔１１－３に導電体膜電極１０－２－２が形成され、外側電極８－２－２に接続する。Ｓｉ基板側壁板１－２の側面の導電体膜電極１０－２－２と対面するＳｉ基板側壁板１－２の側面にも導電体膜電極１０－２－１が形成され、コンタクト配線６を通して外側電極８－２－１に接続する。Ｓｉ基板側壁板１－２の導電体膜電極１０－２－１は接地され、Ｓｉ基板側壁板１－３の導電体膜電極１０－２－２にはイオンと逆電荷の電圧が印加されている。イオン化室で発生したイオンは、Ｓｉ基板側壁板１－２の中央孔１１－２を通って引き出し電極室４－２に入り、引き出し電極である導電体膜電極１０－２－２に引かれて加速され、Ｓｉ基板側壁板１－３の中央孔１１－３を通って隣室へ出射される。この引き出し電極１０－２－２に印加される電圧をＶ_１とすれば、1/2mv^２＝zeV_１　(i)が成り立つ。（ｍイオンの質量、ｖイオンの速度、ｚ電荷数、ｅ電荷素量、Ｖ印加電圧）m=10^－２５kg、V₁=10Vとすると、イオンの速度v=4.5×10^３m/secとなる。引き出し電極室４－２には、真空引き用の開口部１４が形成され、所定の圧力に保持される。また、真空引き用以外にも開口部１４が設けられ、Ar等の不活性ガスを入れて引き出し電極室４－２をクリーニングできる。さらに、引き出し電極室４－２には、必要なら、引き出し電極と同じ構造の中央孔を有する基板側壁板（導電体膜も形成）を設けて、イオンと逆電圧を印加して加速させたり、またはイオンと同電圧を印加して減速および集束させることもできる。

質量分析部は、電場部および磁場部を持つ二重収束型である。（単収束型の場合電場部をなくす。）図１３は二重収束型質量分析装置および検出部を示す図である。引き出し電極部で加速したイオンは、Ｓｉ基板側壁板１－４が有する中央孔１１－４を通って電場室４－３へ入射する（速度ｖ）。電場室４－３は扇型形状の貫通室であり、扇型形状のＳｉ基板１の２つの対向する側面（図１３（ａ）参照、図１２では奥側Ｓｉ基板側面および手前側Ｓｉ基板側面）に導電体膜電極１０－８（１０－８－１、１０－８－２）が形成されている。この導電体膜電極１０－８には外側電極７－３および８－３から電圧Ｖ_２を印加できる。扇型電場室４－３の中心軌道半径をｒ、導電体膜電極１０－８（１０－８－１、１０－８－２）間距離をｄとすると、zeV_２/d=mv^２/r　(ii)。(i)と(ii)より、r=2dV_１/V_２となる。たとえば、d=10mm、V_１=10V、V_２=5Vとすれば、r=40mmである。従って、４インチウエハにも作製可能である。（もっと大きな基板には問題なく作製できる。）電場室４－３と磁場室４－４の間にエネルギーフィルター室４－６を配置し、電場で収束された収束面付近にエネルギーフィルターとなるスリット（基板側壁板１－５－２が有する中央孔１１－５－２）を配置して、一定範囲の運動エネルギーを持つイオンだけを通過させる。
電場によって選別されたイオンは、Ｓｉ基板側壁板１－５－３の中央孔１１－５－３を通って、速度ｖで磁場室に入り扇型磁場Ｂにより軌道を曲げられ、半径Ｒの中心軌道を描く。｛zevB=mv^２/R　(iii)｝磁場室４－４では、基板面に対して垂直方向に磁場Ｂが印加されている。すなわち、上部基板２の上面にＢ－１の電磁石(コイル)が、また下部基板３の下面にコイル軸が基板面に垂直になるように配置される。(i)式から見積もったイオン速度を10^３～10^５m/sec、R=４cm、Si基板の厚さ(磁場室の高さ)1mmとすると、磁界H(=B/μ₀、μ₀透磁率)は10^４H(v=10^３m/sec)、10^５H(v=10^４m/sec)、10^６H(v=10^５m/sec)となる。このような磁界は、コイル配線直径90μm、コイル直径1mm、巻き数100のコイルに約0.1A(v=10³m/sec)、1A(v=10^４m/sec)、10 A(v=10^５m/sec)の電流を流して得られる。このようなコイルは、基板上にコイル配線（Cu等をPVD法およびメッキ法により形成）を積層することによっても実現できる。（特許出願済）基板上に形成されたコイルはそのサイズを小さくできる(直径0.1mm～1mm以下のコイルも簡単に作製可能)ので、磁場室が小さくても十分な磁場強度を磁場室に印加できる。また、基板上に形成されたコイルを用いると、非常に正確に（合わせ誤差５μｍ以下）磁場室の所定位置にコイルを配置できる。特に、コイルを基板面に隙間なく（10μｍ以下の間隔で）並べることが可能であり、個々のコイルの電流制御が可能であるため、複数のコイルを配置した領域における磁場室の磁場強度を均一に保持することもできる。コイル配線の層間絶縁膜の厚みを10μmとし、二重巻き配線にすれば（基板形成コイルの場合、多重巻きはプロセス増加なく簡単に作製できる）、上記サイズのコイル高さは約5mmとなる。コイル配線を超伝導体(たとえば、Nb系や高温超電導物質材料)にすれば大電流を流すこともできるので、磁場強度の調節範囲が大きくなり、質量の大きな分子にも適用できる。コイル領域を液体Heに浸漬しても少ない体積で済むため、ランニングコストも少なくて済む。

本発明は、多数のイオン検出部を同時に（コストアップなく）一括して作製できる。これらの検出部は同じサイズで同じ性能を有するため、各イオン種の検出能力にバラツキが少なく、絶対的比較が可能である。その一例を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）は、磁場部の周囲に多数のイオン検出部を設けた質量分析装置を示す平面図である。引き出し電極・加速電極室、または図１３（ａ）に示すエネルギーフィルター室である貫通室２２－１を進行してきたイオン２４がＳｉ基板側壁板２１－１の中央孔２７から貫通室２２－２へ出射される。貫通室２２－１に直接接続する貫通室２２－２の一部は磁場室Ｂとなっており、貫通室２２－１から出射したイオンは必ず磁場室Ｂを通る。磁場Ｂはイオンの入射軸に対して１８０度に印加されている。磁場室Ｂは矩形（正方形、長方形等）状または半円形状の磁場であり、基板面に垂直に磁場Ｂが印加される。貫通室２２－１の外周は、矩形状または円形状になっており、その外周に沿って多数のイオン検出部２２－４（２２－４－１－ｎ、２２－４－２－ｍ、２２－４－３－ｐ、２２－４－４－ｑ、ｍ、ｎ、ｐ、ｑ＝１、２、・・・）が配置される。(iii)式から分かるように、一様な磁場Ｂのもとで、イオン軌道半径Ｒは質量電荷比質量電荷比ｍ／ｚに依存するので、m/zが異なるイオン種は異なるイオン検出部へ入る。従って、磁場Ｂを掃引することなく多数のイオン種を同時に同定できる。さらに磁場Ｂの掃引も行なえば、さらに多くのイオン種の情報を入手でき、これらの多数の情報から従来よりも高精度な分析が可能となる。従来の装置では、装置サイズが極めて大きくなること、装置作製がむずかしいこと、製造に時間がかかること、個々のイオン検出部の性能をそろえることも困難であること、製造コストが莫大になることなどのために、図１３（ｂ）で示す構造を作製することは不可能であったが、本発明では簡単に作製できることが大きなメリットである。

質量分析室４－４で選別されたイオンは、基板側壁板１－６の中央孔１１－６を通りイオン検出室４－５へ入射する。中央孔１１－６の上面に形成された導電体膜電極９－３および下面に形成された導電体膜電極１０－３は平行平板型電極となっており、これらに接続する外側電極７－４および８－４にかかる電圧を調整することによって、イオンの軌道を上下方向に変化させることができる。イオン検出室４－５には、電子増倍管となる中央孔１１－７を有する基板側壁板１－７（長さＬ）が形成される。電子増倍管が平行平板型である場合は、中央孔１１－７の底部および両端の側面、および上部基板/下部基板の一部に二次電子放出物質膜１２（１２－１、１２－２）を形成し、電子増倍管がチャネル型の場合は中央孔１１－７の内面全体および両端の側面、および上部基板/下部基板の一部に二次電子放出物質膜を形成する。二次電子放出物質は、たとえばMgO、Mg、BeOである。基板側壁板１－７の両端に導電体膜９－４、９－５、１０－４、１０－５を形成し、コンタクト配線５、６を通して外側電極７－５、７－７、８－５、８－６と接続する。基板側壁板１－７の両端に電圧(前方に対して後方を正とする)を印加すれば、二次電子放出物質膜１２－１および１２－２の長さＬ方向に傾斜電界が形成される。イオン検出室４－５へ入射したイオンが曲げられて二次電子放出物質膜１２－１の前方に当たると、二次電子ｅが放出される。その二次電子ｅは対面する二次電子放出物質膜１２－２に当たると、次の二次電子ｅが放出される。この二次電子ｅは対面する二次電子放出物質膜１２－１に当たると、次の二次電子ｅが放出される。これらが繰り返されて放出される二次電子量は次々に増倍し、電子増倍管である中央孔１１－７から増倍した電子が出ていき、その後方にあるＳｉ基板側壁に形成された導電体膜電極９－６および１０－６へあたり、コンタクト５を通して外側電極７－７に電流が流れる。すなわち、選別されたイオン量を検出することができる。

図１４は、本発明の最終製品（本体のみ）の完成図である。すなわち、上下にガラス基板を付着したSiウエハ(４インチ～８インチ、もっと大きくても良い)内に、試料供給部、イオン化部、引き出し電極・加速電極部、質量分析部｛電場部（1/4扇型形状）、磁場部（1/4扇型形状）｝、イオン検出部を有する質量分析装置を作製する。真空系は外付けする。試料供給部は図に示すように、複数配置でき、外側から液体試料等を装置の試料供給部へ接続する。それぞれの機能部には導電体膜配線で電極に接続し、制御用および解析用ＬＳＩでコントロールできる。磁場部で超電導磁石を使用するときは、その部分に基板枠容器を設けて、極低温まで冷却することもできる。このように、本発明の質量分析装置は、４インチ～８インチのウエハ（基板）内に収納できる大きさとなり、超小型の質量分析器を極めて安価に作製できる。分解能は、極めて精度良く加工でき、また組立て誤差がなく、精密な装置を作製できるので、従来と同程度（二重収束型従来品では分解能が10,000以上）以上の精度を得ることができる。尚、電磁石は従来の外付け電磁石や超電導磁石も使用可能であるから、磁場強度も自由に設定できる。また、本発明の質量分析装置も３Dプリンターを用いて作製できることは言うまでもない。３Ｄプリンターを用いる場合、基板に絶縁膜や導電体膜を同時または順次積層できるので、服猿な構造も容易に作製できるし、ＬＳＩ・ＭＥＭＳプロセスを使う場合は、主基板をその中心で分割して（たとえば、中央孔を含む分割基板）作製することに関しても、分割せずに順次積み重ねて作製できる。本発明は、四重極型、イオントラップ型、タンデム型、飛行時間型、FT-ICR(フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴)など他の方式の質量分析装置にも適用できるので、目的や用途に応じて種々選択し、幅広い応用が期待できる。

図１５は、基板貫通孔また基板凹部の側壁へパターンを形成する方法または装置を示す図である。主基板１０１１に貫通孔（または凹部）１００９が形成されており、この貫通孔１００９の側面壁に電極や配線等の導電体パターンを形成する場合について説明する。基板１０１１の貫通孔１００９の側面に絶縁膜１０１２を積層する。基板１０１１は、使用する目的にあった基板を使用する。質量分析器や加速器などの場合は、基板はシリコン（Ｓｉ）、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＩｎＰ、Ｃ等の各種半導体基板、ガラス、石英、サファイア、各種プラスチック、各種セラミック等の絶縁基板、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ等の金属や合金等の導電体基板を使用できる。絶縁膜１０１２は、たとえばシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜やシリコン窒化膜であり、酸化法やＣＶＤ法やＰＶＤ法、あるいは塗布法等によって形成できる。基板１０１１が絶縁基板の場合には絶縁膜１０１２は時必ずしも必要ではないが、その上に積層する密着層１０１３との密着性向上のためには積層した方が良い。絶縁膜１０１２上に密着層１０１３を積層する。この密着層１０１３はその上に積層する導電体膜１０１４との密着性向上用や拡散防止（バリア）用である。導電体膜１０１４がメッキ層である場合はシーズ（種）層の役目もある。密着層１０１３は導電体膜であり、たとえばＴｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯ、Ｔａ、ＴａＮ等である。導電体膜１０１４がたとえば銅（Ｃｕ）メッキである場合は、さらにＣｕ膜を積層するのが良い。これらの密着層１０１３はＣＶＤ法やＰＶＤ法で積層できる。密着層１０１３の上に導電体膜１０１４を積層する。導電体膜１０１４は、たとえばＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ等の各種金属膜である。導電性カーボンナノチューブでも良いし、超伝導体でも良い。これらの導電体膜１０１４はＣＶＤ法やＰＶＤ法や塗布法やメッキ法で積層できる。メッキ法の場合には密着層およびシーズ層である１０１３を利用して通電し電界メッキにより形成できる。メッキ膜の場合は各種ハンダメッキも使用できる。貫通孔１００９の側壁に電極や配線を形成するために、導電体膜１０１４の上に感光性膜１０１５を積層する。感光性膜１０１５はフォトレジスト膜や感光性樹脂等である。感光性膜１０１５は、塗布法やディップ法やスプレー法や電着法等で形成する。貫通孔１００9内にも積層する必要があるので、ディップ法や電着法が条件設定しやすい。貫通孔１００９のアスペクト比は余り高くない（０．５～２程度）ので、貫通孔１００９の内部にも感光性膜１０１５を形成できる。感光性膜１０１５を形成した後、必要があれば感光前のプリベーク等を行なう。次に露光を行なうが、これまでに説明した様に斜め露光法により感光することができる。アスペクト比が１の場合、基板１０１１の最も深い底の方を露光する場合、感光性膜パターンをできるだけ垂直に近い形状にするには約４５度の角度で斜め露光すれば良い。露光の角度に対して忠実な感光性膜パターンになる場合、感光性膜形状は約４５度の逆テーパー形状となる。表と裏から基板１０１１の厚みの半分までを露光する場合は、感光性膜形状は約２７度の逆テーパーとなる。感光性膜の厚みを２μｍとしても感光性膜パターンのパターンずれ（パターン上部と下部の差）は１μｍ～２μｍであり、電極面積（幅）や配線パターン面積（幅）に比較すると１％程度なのでパターンずれは殆ど問題にならない。従って、斜め露光法を用いれば貫通孔１００９内の感光性膜パターンを形成できる。

ここでは、別の方法による本発明の露光方法を説明する。図１５には基板に形成した発光体を用いた露光装置１０２０を示している。基板１０２１の両面に発光体１０２２を形成し、その発光体１０２２を形成した基板を透明基板１０２４で挟んだものを露光装置として用いる。透明体基板１０２４上に発光体１０２２からの光を通す部分１０２６と通さない部分１０２５を形成する。この部分１０２６のパターンは、貫通孔１００９の側面のパターンに対応する。発光体基板１０２１と透明体基板１０２４の間には空間１０２３が存在しているが、発光体基板１０２１を透明体基板１０２４の容器にセットするときに空間１０２３が形成される。この露光法装置１０２０は、本発明の質量分析器や加速装置と類似する方法によっても形成することができる。すなわち、基板１０２８内に貫通孔１０２３を形成し、一方の側に発光体基板１０２１を付着させる。発光体１０２２のある領域は貫通孔１０２３の部分に配置する。基板１０２８の他方の側に透明体基板１０２４を付着させる。ここで貫通孔１０２３は空間となる。発光体基板１０２１の両側に発光体１０２２が形成されている場合は、両側に基板１０２８および透明体基板１０２４を付着すれば良い。発光体１０２２は、たとえばＬＥＤ素子である。ＬＥＤ素子を直接基板１０２１上に形成しても良いし、ＬＥＤチップを基板１０２１に搭載することもできる。ＬＥＤ素子を直接形成できる基板は、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の各種化合物半導体基板や各種化合物半導体層をエピタキシャル形成した基板や貼り合わせ基板である。ＬＥＤチップを搭載する場合の基板は、ＣＯＢ基板やセラミック基板等である。いずれの基板も配線層が形成され、ＬＥＤ素子やＬＥＤチップを点灯させることができる。発光体１０２２はまた、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子である。有機ＥＬ素子を直接基板上に形成しても良いし、有機ＥＬ素子を基板に搭載しても良い。発光体１０２２からの光を通さない部分１０２５は、たとえば透明体基板１０２４上に金属膜層（Ａｌ膜等）を形成し、露光法によりパターニングして形成できる。感光性膜に炭素等の光吸収物質を混合させて露光法でパターニングした後に熱処理して光を通さない部分１０２５を得ることもできる。このパターンが貫通孔１００９の基板側面に形成するパターンのマスクとなる。以上のようにして作製した露光装置１０２０を貫通孔１００９へ挿入して、位置合わせしてから発光体１０２２を点灯して光を通す部分１０２６から光１０２７を照射する。この光１０２７は感光性膜１０１５が感光する波長を有するように発光体を選択する。この結果、図１５（ｂ）に示すように、貫通孔１００９の基板側壁に感光性膜パターン１０１５－１および１０１５－２が形成される。図１５に示す場合の感光性膜はポジであるが、ネガの感光性膜も使用できる。露光装置１０２０と貫通孔１００９の基板側壁との距離は短いので、露光装置１０２０から照射される光線１０２７は貫通孔１００９の基板側壁に対してほぼ垂直な光線であるから、現像後の感光性膜パターン１０１５－１および１０１５－２はほぼ垂直パターンとなるので、パターンずれは殆どなくなる。尚、基板１０１１の上面や下面も通常の露光法を用いて感光性膜パターン１０１５－３および１０１５－４を形成できる。

図１５では、奥行き側（紙面に垂直方向の前面または後面）を示していないが、前面または後面も同様にしてＬＥＤ素子を形成した基板を配置しておくことによって、前面または後面も露光できる。この場合、片方の面はＬＥＤは不要であるから、前面に光を照射する場合は、前面の方にＬＥＤ素子を配置した基板を配置する。後面に光を照射する場合は、後面の方にＬＥＤ素子を配置した基板を配置する。図１８は前面および後面に発光体を配置した露光装置を示す図である。図１５に示した露光装置１０２０のＬＥＤ素子１０２２を両面に配置した基板１０２１の側面（端面と考えても良く、前面側）側にＬＥＤ素子１０６３を片面に配置した基板１０６１を配置する。同様に、基板１０２１の側面（端面と考えても良く、後面側）側にＬＥＤ素子を片面に配置した基板１０６２を配置する。基板１０６１のＬＥＤ素子搭載面（前面）側には空間１０２３を挟んで透明体基板１０２４の前方側側面１０２４（１０２４－Ｓ３）が配置されており、この透明体基板１０２４（１０２４－Ｓ３）にも光を通さない部分であるマスクパターンが形成され、基板１０６１に搭載されたＬＥＤ素子１０６３の光によって、このマスクパターンに合わせた感光性膜パターンが、貫通室１００９の前方側にも形成される。
同様に、基板１０６１のＬＥＤ素子搭載面（後面）側には空間１０２３を挟んで透明体基板１０２４の後方側側面１０２４（１０２４－Ｓ４）が配置されており、この透明体基板１０２４（１０２４－Ｓ４）にも光を通さない部分であるマスクパターンが形成され、基板１０６２に搭載されたＬＥＤ素子の光によって、このマスクパターンに合わせた感光性膜パターンが、貫通室１００９の後方側にも形成される。尚、基板１０２１の側面のＬＥＤ素子搭載面に面した透明体基板は１０２４（１０２４－Ｓ１）および１０２４（１０２４－Ｓ２）である。透明体基板１０２４の上面１０２４（１０２４－Ｔ）は基板１０２１の上面に付着しており、透明体基板１０２４の下面１０２４（１０２４－Ｂ）は基板１０２１の下面に付着しており、ＬＥＤ素子搭載基板１０２１を支持している。基板１０６１、１０６２も透明体基板１０２４の上面１０２４（１０２４－Ｔ）および下面１０２４（１０２４－Ｂ）に付着していても良い。基板１０６１、１０６２は基板１０２１の端面（前面、後面）に付着していても良いし、付着していなくても良い。付着していない場合は、基板１０６１、１０６２の上端面および／または下端面が透明体基板１０２４の上面１０２４（１０２４－Ｔ）および下面１０２４（１０２４－Ｂ）に付着させて支持させる。透明体基板１０２４の上面１０２４（１０２４－Ｔ）および下面１０２４（１０２４－Ｂ）は、光を透過する必要はないので、必ずしも透明体でなくても良い。図１５と合わせれば、透明体基板１０２４の上面１０２４（１０２４－Ｔ）および下面１０２４（１０２４－Ｂ）は別基板１０２８（上基板）および１０２９（下基板）であっても良い。その場合、透明体基板１０２４（１０２４－Ｓ１～Ｓ４）は別基板１０２８および１０２９に付着している。以上の４側面露光装置１０２０によって、貫通室１００９の４つの基板側壁に感光性パターンを形成できる。尚、現状技術でも、貫通室の幅が２ｍｍ以上あれば、基板１０６１および１０６２を図１８に示すように基板１０２１の端面に配置することができる。

これらの感光性膜パターン１０１５－１～４をマスクにしてその下地の導電体膜１０１４および密着層１０１３をエッチング除去できる。エッチングはウエットエッチングやドライエッチングで行なうことができる。ウエットエッチングの場合は、ディッピングにより貫通孔１００９へエッチング液を入れてエッチングできる。また、スプレーエッチングや照射エッチングでは、斜めスプレーまたは斜め照射によりエッチングできる。ドライエッチングの場合は、エッチングガスを貫通孔１００９内へ回り込ませてエッチングできる。指向性のあるドライエッチング（たとえば、ＲＩＥ）では斜め照射によりエッチングが可能である。これらのエッチングの場合サイドエッチング量は導電体膜１０１４の厚み～厚み×２～３程度である。導電体膜１０１４の厚みを１００μｍとすると、サイドエッチング量はＭＡＸ３００μｍであるが、全体の電極サイズが５ｍｍ程度であれば特に問題になる量ではない。図１６は、貫通孔側壁エッチング装置１０３０を示す図である。基板１０３１に貫通孔（室）１０３２を形成し、その両側に基板１０３３および１０３４を付着する。これらの作製法はこれまでに述べた方法と同様である。基板１０３４の中央部分または一部にエッチング液またはエッチングガス導入孔１０３５を形成する。このエッチングガス（液）導入孔１０３５は、基板貼り合わせ等で作製できる。あるいは、このエッチングガス導入孔１０３５は基板１０３３および／または１０３４に形成することもできる。貫通孔１００９の深さに相当する基板１０３３および１０３４に多数のエッチングガスまたはエッチング液噴出用穴１０３６が形成されている。この貫通孔側壁エッチング装置１０３０を貫通孔１００９へ挿入し、貫通孔１００９の側壁に対応する領域にエッチングガスまたはエッチング液噴出用穴１０３６を配置する。エッチングガス（液）導入孔１０３５からエッチングガス（液）１０３７を導入し、エッチングガス（液）１０３８をさらにエッチングガス（液）噴出用穴１０３６から貫通孔１００９の基板側壁へ噴出させて導電体膜１０１４および密着層１０１３をエッチングする。この結果、導電体膜１０４のパターを貫通孔１００９の側壁へ形成できる。噴出するエッチングガス（液）１０３８は基板１０３３および１０３４に対して垂直に近い角度で噴出される。貫通孔側壁エッチング装置１０３０と貫通孔１００９の基板側壁との距離は小さいので、導電体膜１０１４等の形状も垂直に近い形状を得ることもできる。また、導入されるエッチングガス（液）１０３７の圧力を変化させることによって、エッチングガス（液）１０３８の速度や角度も調整できるので、導電体膜１０１４等のエッチング速度や形状を制御できる。基板１０３３および１０３４を導電体基板にしてエッチングされる基板１０１１側と導電体基板１０３３および１０３４の間に電界を生じさせることによって、ドライエッチングも可能であり、導電体膜１０１４等のエッチング速度や形状を制御することもできる。

図１６は貫通室１００９の基板側壁面エッチング装置であるが、前方側および後方側を示していないが、前方側および後方側も同様の構造にすることによって、貫通室１００９の４つの基板側壁面をエッチングできる。尚、４つの基板側壁面をできるだけ均一にエッチングするために、エッチング装置１０３０と４つの基板側壁面までの距離をできるだけ等しくした方が良いので、貫通室１００９のサイズに合わせてエッチング装置１０３０を作製すると良い。基板等が配置される雰囲気は、低温～常温～高温のエッチング可能な温度であり、低圧～常圧～高圧のエッチング可能な圧力に保持される。本発明の発明で用いる貫通孔１００９のアスペクト比（基板１０１１の厚みに対する貫通孔の直径（幅）の比）は余り大きくないので、貫通孔の側面に積層する膜（ＣＶＤ、ＰＶＤ、メッキ等）のステップカバー率（平坦部分に対する貫通孔側面の膜の厚みの比）もそれほど小さくはならない。たとえば、基板１０１１の厚み（貫通孔深さ）が５ｍｍ～２０ｍｍの場合、貫通孔幅も同程度であるから、アスペク比は１であり、ステップカバー率は３０～８０％程度である。ＣＶＤ、ＰＶＤ、メッキ等の技術向上によってこのステップカバー率は向上するであろう。貫通孔幅が５ｍｍの場合、本発明の基板側壁露光装置１０２０や基板側壁エッチング装置１０３０の幅は４ｍｍ以下であれば、両側の基板側壁に接触しないで挿入することができる。基板側壁露光装置１０２０の場合、発光体搭載基板の厚みを０．５ｍｍ、発光体の厚みを０．２ｍｍ、（主）基板１０２１の厚みを２ｍｍ、両側の透明基板１０２４の厚みを０．５ｍｍ、マスク部分１０２５の厚みを０．１ｍｍとすれば、基板側壁露光装置１０２０の幅は、約３．２ｍｍとなる。基板側壁エッチング装置１０３０の場合、（主）基板１０２１の厚みを２ｍｍ、両側の基板１０３３および１０３４の幅を０．５ｍｍとすれば、基板側壁エッチング装置１０３０の幅は、約３ｍｍとなる。尚、基板１０１１の厚みは５ｍｍ～２０ｍｍとして、絶縁膜１０１２の厚みを１００ｎｍ～１００００ｎｍ、密着層１０１３の厚みは１００ｎｍ～１０００００ｎｍ、導電体膜１０１４の厚みは１μｍ～５００μｍ、感光性膜１０１５の厚みは１μｍ～５００μｍを選択することもできる。ただし、これらのサイズに関係なく最適なサイズを選択することもできる。

図１７は、型（モールド）を用いて本発明の加速器や質量分析装置の貫通室を作製する方法を示す図である。図１７は図１４に示す質量分析装置を作製する場合を示す。図１７（ａ）に示すように、試料供給部・イオン化部１０４１、引き出し電極部１０４２、電場部１０４３、磁場部１０４４、イオン検出部１０４５を有するモールド１０４０を作製する。このモールドはあらかじめ型を作製してその型に合わせてモールドを作製しても良いし、組立てて作製しても良い。モールドは３Ｄプリンター装置を用いても作製できる。モールド材料は、その周りを被う基板１０４６の材料に応じて最適なものを選定する。たとえば、基板１０４６の材料がＳｉ（PolySi、またはアモルファスSi、または単結晶Si）の場合、その形成温度より融点およびその材料との反応温度が高い材料を選択する。たとえば、カーボン（Ｃ）、ＷＣ、石英、サファイヤ、ジルコニア（ＺｒＯ２）など多数の材料がある。これらの材料は粉末にして焼結して成形することもできる。モールドの形状は、平面的な形状に関して作製するもの（この場合は質量分析装置）と同じ形状であり、その形状をした柱状体である。このモールド１０４０の周囲に基板材料を結晶成長させるか、溶融材料を流し込んで基板材料のインゴットを作製するか、あるいは、基板材料の粉末体でモールド周囲を囲み焼結または固めてインゴットを作製したりする。粉末焼結の場合粉末体の融点より低い温度で焼結できるという利点がある。こうして、図１７（ｂ）に示すように、モールド体１０４０が中に入ったインゴット１０４８が形成される。モールド体１０４０を取り除けば、モールド体と同じ空洞がインゴット１０４８内に形成される。このインゴット１０４８を質量分析装置と同じ厚みで切断すれば、貫通室を有する基板（ウエハ）が作製できる、たとえば、厚み５ｍｍの基板厚ならば、長さＴ＝１０００ｍｍのインゴットなら、200枚の基板を作製できる。このように基板内の貫通室をエッチングによらず基板作製と同時に貫通室を有する基板を多数作製できる。インゴット１０４８からの基板切断は、ワイヤソーによる切断やダイシングを用いた切断があり、切断後に必要な研磨や化学研磨、あるいはＣＭＰを行なって基板表面や貫通室の基板側壁面を所定表面状態にすることもできる。モールド体１０４０が入ったままインゴット１０４８を切断することもでき、切断後にモールド体１０４０を除去すれば良い。基板材料がＳｉで、モールド材が石英やサファイヤ等である場合には、ＨＦ処理を行なってモールド材（の一部または全部）を溶かしてモールド材を除去できる。また、基板材料がＳｉで、モールド材が炭素の場合は、酸素で炭素材料をＣＯ２にしてモールド材を除去できる。

基板がプラスチックである場合、モールド材はＡｌ等の金属やガラス、石英、セラミック等で作製することもでき、インゴット作製後プラスチックは溶けないが金属やガラス、石英、セラミック等は溶ける溶液で処理すれば良い。また、モールド材を石膏や砂等で作製し、基板として金属や各種プラスチック、ガラス、Ｓｉ、サファイア、石英、各種セラミックを用いて、これらの粉末体を焼結したり、溶融体を流しこんで基板を作製し、石膏や砂等を取り外せば良い。基板が金属や合金である場合、モールド材はその金属や合金より融点が高く、融点温度付近の温度までは相互に反応しにくい材料が良い。たとえば、基板が半田合金である場合、半田合金（Sn-Pb、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Zn-Al等）の融点は１５０℃～４００℃であるから、モールド材としてポリイミド等の耐熱性のある高分子材料や、ガラス、石英、サファイア、各種セラミック、Si等を使用できる。また、基板とモールド材の熱膨張率に関しては、モールド材の熱膨張率が基板より大きなものが良い。たとえば、溶けた基板材料でモールドの周りを埋めて基板インゴットを作製して固化した後、温度を低下するとモールドは基板よりも収縮率が大きいので、自然にモール材を基板インゴットから取り外すことができる。モールドのサイズは、使用温度（たとえば、常温、超伝導体を使用するときはその温度）における空洞（貫通孔）サイズを考慮してモールドサイズを選定する。また、半田金属等の低融点金属や低融点合金をモールド材料として、それより融点の低いプラスチックやセルロースナノファイバー（CNF）等の高分子材料で基板材料を構成すれば、基板インゴットの作製も容易である。あるいは、基板とモールド材の熱膨張率がほぼ同じものを用いれば、熱収縮や熱膨張を考慮せずに設計できる。
モールド体１０４０の側面に電極・配線膜を形成しておき、基板材料で囲んだ後でインゴット１０４８内面に電極・配線膜を転写することもできる。たとえば、モールド体１０４０の側面全体に電極・配線膜を貼りつけておき、インゴット１０４８内面全体に電極・配線膜を転写する。インゴット１０４８を切断して基板体とした後に、形成された貫通室内面に形成された電極・配線膜をパターニングして、電極・配線層を形成する。あるいは、図１７（ａ）に示すように、モールド体１０４０の側面に部分的に電極・配線膜１０５１や１０５２を形成する。電極・配線膜１０５１は、インゴット１０４８の深さ方向に連続した電極・配線膜であり、切断して基板体とした後に貫通室の深さ方向のみをパターニングすれば良い。電極・配線膜１０５２は、基板の貫通室内面に形成されるパターン通りに形成されたパターンなので、切断して基板体とした後における電極・配線膜１９０５２のパターニングは不要である。ただし、モールド体１０４０の側面に形成する電極・配線膜パターン１０５２を切断後の基板貫通室の位置に正確に形成しておく必要がある。このようなモールド体１０４０の側面に電極・配線膜を形成するには、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法（イオンプレーティング法を含む）、塗布法、ディップ法等のほか、型を用いてモールド体１０４０を形成する場合は、その型に電極・配線膜を形成して、それを転写するという方法もある。また、３Ｄプリンターを用いて、電極・配線膜を形成することもできる。３Ｄプリンターを用いる場合、モールド体にあらかじめ電極・配線膜を３Ｄプリンターで形成する場合の他に、モールド体を取り除いて出来あがったインゴットに電極・配線膜を３Ｄプリンターで形成することもできる。インゴット１０４８の形状は、円柱形、断面が長方形や正方形や三角形や種々の多角形の角柱、楕円柱など種々の形状を取ることができる。インゴットの結晶形も単結晶、多結晶、アモルファス、粉末体を固化したもの、樹脂状態、プラスチック体、ゴム状体などやこれらの組合せ体で構成することができる。貫通室の深さが厚いもの、たとえば１０ｃｍ以上のものなどは、インゴットの厚みと貫通室の厚みが同じとなる場合もあり、そのときはインゴット１つからは１つの主基板しか取れないことになる。さらには、半分の厚みの基板しか取れないインゴットの場合もあり、そのときは基板を重ねて（貼り合わせ等で）貫通室を形成する必要がある。型を入れずに平板な基板を作製し、金型で基板を打ち抜いて貫通室を作製することもできる。特に基板が金属の場合は打ち抜きしやすい。また、レーザー切断によっても貫通室や凹部を作製できる。図１７で示す方法により、任意の深さ（高さ）を有する貫通室を作製できる。すなわち、０．１ｍｍ～１ｍｍはもちろん、１ｍｍ～１ｃｍ、１ｃｍ～１０ｃｍ、１０ｃｍ～５０ｃｍ、５０ｃｍ以上を容易に作製できる。しかも部分毎に作製して、それらを接続して大きなサイズの質量分析装置や加速装置も作製することができる。たとえば、図３や図９に示すように接続して大面積の装置を作製できる。

図１９は中央孔を形成する方法を示す図である。貫通室を形成するモールド１０７１および１０７２の間に中央孔を形成するモールド１０７３が存在する。図１９（ａ）はモールド１０７０の斜視図であり、透視図で示している。直方体形状のモールド１０７１および１０７２の間を結ぶ中央孔モールド１０７３が離間して等間隔に配置されている。図１９（ｂ）はモールド１０７０の断面図（高さ方向）である。一点鎖線１０７４は切断面を示す。モールド１０７１および１０７２および中央孔モールド１０７３を合わせたモールド１０７０の周囲に基板を形成し、基板インゴットを作製した後に、モールドを除去すれば良い。基板インゴットを切断して（主）基板を作製した後にモールドを除去しても良い。中央孔モールド１０７３はモールド１０７１および１０７２に比べてサイズが小さいために、モールド１０７１および１０７２と基板境界面を分離した後、軽い衝撃を与えれば中央孔モールド１０７３とモールド１０７１および１０７２のつなぎ目で簡単に折れてモールド１０７１および１０７２を基板インゴットまたは基板インゴット切断後の基板から分離することができる。中央孔モールド１０７３、モールド１０７１および１０７２が同種材料の場合には、中央孔モールド１０７３とモールド１０７１および１０７２の付着を弱くしておけば、さらに低い衝撃力で分離させることができる。たとえば、モールドをサファイア（酸化アルミニウム、融点約２０７０℃）で作製し、基板インゴットをシリコン（融点１４１０℃）で作製する。シリコンよりもサファイアをエッチングする液またはガスでシリコン（インゴット、基板）とサファイア（モールド）の境をエッチングして隙間をあけて分離させる。モールドを石英（融点約１７００℃）で作製した場合、基板インゴットをＳｉ（融点１４１０℃）で作製する。Ｓｉよりも石英をエッチングする液またはガスでＳｉ（インゴット、基板）と石英の境をエッチングして隙間をあけて分離させる。石英のエッチング液としてＨＦ系溶液がある。モールドをＦｅ（融点１５４０℃）で作製し、基板インゴットをガラス（融点６００℃～７００℃）で作製する。ガラスよりもＦｅをエッチングする液またはガスでガラス（インゴット、基板）とＦｅ（モールド）の境をエッチングして隙間をあけて分離させる。Ｆｅのエッチング液として塩酸や硫酸がある。

モールド１０７０を幾つかのブロックに分けた割型で作製し、インゴット形成後に割型を取り外す方法でも貫通室を作製できる。そのときでも中央孔モールド１０７３はインゴット中から取り外すのが困難な場合は、ウエットエッチング液や等方性ドライエッチングガスで中央孔モールド１０７３を溶解する。あるいは、図１９（ｂ）に示すように中央孔の略中心部を通る面（破線で示す）１０７５で切断して、中央孔モールド１０７３を露出させて取り外すことができる。この場合も中央孔モールド１０７３をエッチング可能な溶液またはドライエッチングガスを用いて中央孔モールドと基板との境界をエッチングして分離しやすくすることもできる。中央孔の略中心部を通る面（破線で示す）１０７５で切断してモールドを分離した後は、貫通室や中央孔へ必要な膜付けをした後に分離した上下の基板を切断面１０７５で付着して通常の中央孔を持つ基板を作製できる。モールド１０７０の周囲に必要な膜付けをして、その膜を基板（インゴット）に転写して、貫通室や中央孔内面へ絶縁膜や導電体膜またはそれらのパターンを形成することもできる。中央孔モールド１０７３を使用しない場合、貫通室を有する基板に貫通室を接続する中央孔を作製する必要がある。まず、基板インゴットを切断面１０７４および中央孔が形成される部分の中央孔高さの略半分の位置である切断線（面）１０７５で切断する。図２０は中央孔が形成される部分の中央孔高さの略半分の位置で切断した基板に中央孔を形成する方法を示す図である。図２０（ａ）は中央孔形成前の基板の平面図である。貫通室１０７６（１０７６－１、２）および貫通室１０７７（１０７７－１、２）が形成された基板１０８０の平面図は、図１９に破線で示す切断面１０７５である。貫通室１０７７（１０７７－１、２）は、貫通室１０７６（１０７６－１、２）を持つ加速器や質量分析器の隣の加速器や質量分析器の貫通室である。中央孔はまだ形成されていない。１０７９は基板面または基板である。図２０（ｄ）～（ｇ）は図２０（ａ）における中央孔が存在する（べき）部分の断面図であり、図２０（ｄ）、（ｅ）には基板の上下が分かるように破線で示している。図２０（ｂ）、（ｅ）に示すように、この基板面１０７９上に感光性膜１０８１を形成し、パターニングして中央孔形成領域１０８２（１０８２－１，２）を窓開けする。図２０（ｅ）は図２０（ｂ）の断面図である。次に、図２０（ｆ）に示すように、この感光性膜パターン１０８１をマスクにして基板１０７９をエッチングして中央孔１０８３を形成する。このエッチングはレーザー等を用いて形成しても良い。あるいは研磨法で作製することもできる。たとえば、中央孔のサイズに適合した円柱形の研磨冶具を回転させて中央孔の半分（横側に半円形の柱状）を研磨する。研磨時には研磨剤＋水をかけながら、さらに軽いエッチング液を混ぜながら研磨することもできる。図２０（ｇ）に円柱形の研磨冶具１０８４を使用した研磨方法を示す。中央孔を形成する領域に円柱形研磨冶具１０８４を回転させながら当てて基板１０７９を研磨する。円柱形研磨冶具１０８４は基板１０７９に対して上下可能な支持台に取り付けられ、支持台を徐々におろして、基板１０７９が所定深さまで削れたら支持台の下降をストップさせて上昇させる。この結果、基板１０７９には中央孔の半分が形成できる。尚、円柱形の研磨冶具を用いるときは、感光性膜パターン１０８１は不要である。中央孔を作製した後で、必要な膜付け（絶縁膜、導電体膜等）およびフォトリソ・エッチングを行なって、貫通室の上下半分の部分に必要な構造を作製した後で、接着法や静電結合法等を用いて、上下に分割した部分を接合して、所望の貫通室・中央孔・導電体膜パターン等を有する主基板が作製される。上下基板についても同様のモールド法で作製することができる。上下基板にはコンタクト孔、気体や液体の導入孔、真空引き用の吸入孔、高周波導入・排出孔等もモールド法で形成できる。形成後に所望厚さで切断して絶縁膜や導電体膜の積層やパターニングを行なえば所望の上下基板が作製される。こうして作製した主基板の上下面に上下基板を付着して、本発明が作製される。

モールド型の中を空洞にしたものでもモールドを作製できる。モールドを薄い膜や薄板で囲んで中を空洞にする。（モールドフレームと称する。）モールドフレームの空洞内は窒素、酸素、空気、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスを入れて適度な内圧をかけても良い。基板インゴットを作製するときに温度を上げる場合は空洞内のガスは膨張するので、内圧が増加するから、その内圧によって変形しないようにモールドフレームの強度を調節する。あるいはモールドフレームが変形しても基板インゴットを作製時に正確なモールド型になるようにするためにモールドフレームの強度および空洞内の内圧を調節しても良い。当然モールドフレーム材料はインゴット作製時に変形したり融けたりしないような材料で形成する必要がある。これについてはこれまで述べた通りである。モールド型を取り外すときに、空洞内のガスを抜いて内圧を下げるとモールドフレームが縮小するので、簡単にモールド型（モールドフレーム）を取り外すことができる。インゴット作製後はインゴット作製時よりも温度が下がり空洞内の内圧が下がるので、そのときにモールドフレームが縮小するので、自然とモールドフレームを取り外すことができる。モールドフレームがインゴット基板から外れない場合でも、空洞内の圧力が低下するので、モールドフレームがインゴット基板を押圧力も低下するから、モールド材をエッチングするエッチング液やエッチングガス（プラズマエッチングも含む）がモールドフレームとインゴット基板との間に入り込み易くなり、モールドフレームとインゴット基板の境界面に面しているモールドフレームがエッチングされる。この結果インゴット基板からモールドフレームを分離することができる。さらに、空洞内にエッチング液やエッチングガス（プラズマエッチングも含む）を入れることができ、モールドフレームの厚みも薄いのでモールドフレームを内と外から溶解させることができる。この結果インゴット基板からモールドフレームを除去することができる。中央孔モールドも内部が空洞のモールドを使用できる。

図２１は貫通室内壁を研磨して平滑でなめらかな面にするための方法（（ａ））および貫通室内壁へパターンを転写する方法について説明する図（（ｂ）、（ｃ））である。図２１（ａ）は貫通室形成用のモールド型を取り外した後の貫通室１０８６を有するインゴット基板の貫通室１０８６内壁（内面）を研磨する方法を示す図である。円柱形の研磨棒１０８７を貫通室１０８６内へ挿入し、研磨棒１０８７を回転しながら貫通室１０８６の内面をなぞる。貫通室１０８６の内面はモールド型を外した跡で荒れた状態の場合もあるので、研磨棒１０８７の回転により貫通室１０８６の内面の凹凸を取り平滑化し表面をなめらかにすることができる。研磨棒１０８６の円柱面に研磨剤を付着させたり塗布したり、および／または研磨材を含む液を吹きかけたり、その液中で研磨棒１０８６を回転させる。インゴット基板で行なえば多数の基板をまとめて処理できるし、基板に切断後に個々に行なえばより精密な研磨が可能となる。研磨棒１０８６は円柱形であるから、貫通室１０８５が直方体形状の場合は、角部の研磨はむずかしいが、より半径の小さな円柱形研磨棒で行なえば角部も十分な研磨が可能となる。角部とその他で使い分けても良い。また、円柱形状でなく、直方体形状の研磨棒も使用できる。直方体形状研磨棒は往復運動をさせることにより貫通室内面を研磨することができる。
図２１（ｂ）は、円柱形転写棒を使用して貫通室内面にパターンを転写する方法を示す図である。円柱形転写棒１０８８に転写パターン１０８９を付着させて、貫通室１０８６内に円柱形転写棒１０８８を挿入し、貫通室１０８６の内面に円柱形転写棒１０８８に付着した転写パターン１０８９を接触させて、転写パターン１０８９を貫通室１０８６の内面に付着させて転写する。転写パターン１０８９は円柱形転写棒１０８８の周囲に付着して形成されているので、円柱形転写棒１０８８の表面を貫通室１０８６の内面に押しつけながら回転させてパターン転写する。転写パターン１０８９はたとえば導電体電極・配線パターンである。円柱形表面に導電体膜を積層し、フォトリソ法を用いて導電体膜パターンを形成し、円柱形表面を貫通室内面に当てる。このとき、貫通室表面と導電体膜が密着性良く付着する条件（たとえば、熱処理）で処理して貫通室表面に導電体膜を付着させる。同時に円柱形表面と導電体膜との密着度が貫通室表面と導電体膜が密着度より低い条件にすれば円柱形表面上の導電体膜パターンが貫通室表面へ転写できる。円柱形を回転させることによって、次々と転写できる。あるいは、転写シートに導電体膜パターンを付着しておき、その転写シートを円柱形転写棒に巻き付けておく。このとき、導電体膜パターンを外側にしておく場合に、円柱形転写棒を貫通室表面に押し当てて回転させながら転写シートに付着させた導電体膜パターンを貫通室表面に転写する。あるいは、導電体膜パターンを内側にして転写シートを外側にしておき、円柱形転写棒を貫通室表面に押し当てて回転させながら転写シートを貫通室表面に付着させれば、転写シートに付着させた導電体膜パターンも貫通室表面に付着させることができる。インゴット基板内の貫通室に転写することもできるし、切断後の基板の貫通室に転写することもできる。同じ形状の貫通室であれば（たとえば、図２０における貫通室１０７６と１０７７）、複数の転写棒を支持体に取り付けて、それぞれの貫通室に同時に転写棒を挿入して、同時に転写することができる。

図２１（ｃ）は、貫通室と同じ直方体形状の転写板に導電体膜電極・配線パターン１０９２および１０９３を形成し、それらのパターンを貫通室内面に転写する方法を示す図である。導電体膜パターン１０９２、１０９３を付着した転写板１０９１または導電体膜パターン１０９２、１０９３を付着した転写シートを付着した転写板１０９１を貫通室１０８６へ挿入し、貫通室１０８６内面に押し当てて転写する。転写シートを用いる場合、ポリイミド等の高耐熱シートにアルミやＣｕ、Ａｕ等の電極・配線を形成し、反体面に高耐熱性の熱硬化性接着剤を付着しておき、この接着面を貫通室内面に付着させて転写シートを付着させて熱処理により貫通室内面にポリイミドシートを挟んで導電体膜パターンを貫通室内面に形成できる。転写した後は、必要ならば、保護膜をＣＶＤ法等で積層するか、さらに保護膜（耐熱用が良い）テープを転写法で付着させる。この結果、３００℃～５００℃程度の耐熱性を持たせた貫通室を作製できる。また、インゴット基板内の貫通室に転写することもできるし、切断後の基板の貫通室に転写することもできる。同じ形状の貫通室であれば（たとえば、図２０における貫通室１０７６と１０７７）、複数の転写棒を支持体に取り付けて、それぞれの貫通室に同時に転写板を挿入して、同時に転写することができる。図１７等に示すモールド型を３Ｄプリンターで形成できると説明したが、モールド型が同一材料の場合は比較的容易に作製でき、この場合中央孔等を有する複雑な構造も３Ｄプリンターで作製できる。また、貫通室や中央孔を有する基板についても３Ｄプリンターで容易に作製できる。３Ｄプリンターで作製すれば、モール材を取り除くというプロセスは不要となる。インゴットを作製した後に、図１９等で説明した様に中央孔の中間部分で２つに基板を分割して、その分割基板に必要な膜付けとパターニングをした後に、分割面で接合すれば本発明品の構造を作製することができる。導電体膜や絶縁膜等も基板と一緒に３Ｄプリンターで作製すれば、分割するというプロセスも不要となる。さらに上下基板やそれに付随するもの（絶縁膜、導電体膜、それらのパターニング）も３Ｄプリンターで作製すればさらにプロセスを簡略でき、一挙に本発明品を作製できる。
図１６に示した装置の代わりにターゲット基板（たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴｉＮ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｗ，Ｍｏ、あるいはＳｉＯ等の絶縁体）を貫通室に挿入し、ターゲット基板に高周波電界を印加し、低圧下でスパッターガス（たとえば、Ａｒ、Ｎ２）を導入すれば、ターゲットからターゲット材料がスパッターされて、ターゲット材料が貫通室側壁へ付着できる。ターゲット材料と貫通室側壁の距離が非常に近いので高速でスパッター膜を積層できる。この場合、装置はスパッター装置となる。また、レジスト液等の感光性膜液を入れた装置を貫通室等に挿入して、噴出またはスプレーして貫通室や凹部側面や底面に感光性膜を形成できる。加熱素子（抵抗や赤外線ランプ等）を搭載した装置を貫通室等に挿入すればその感光性膜をプリベークできる。露光した後には、現像液を入れた装置を貫通室等に挿入して、噴出またはスプレー等して貫通室や凹部側面や底面に感光性膜をパターニングできる。感光性膜のＣＶＤ（プラズマ）も挿入ＣＶＤ装置で可能である。以上説明した装置は別基板に多数搭載して基板内の多数の貫通室に挿入等して、多数の貫通室内のパターニングや成膜や熱処理（感光性膜の塗布・付着や形成、感光性膜の露光、感光性膜の現像、各種膜のエッチング、各種膜のＣＶＤ、各種膜のＰＶＤ（スパッター、蒸着）、各種熱処理等）を同時に処理できる。

本発明は、基板内に基板上面から基板下面に貫通する貫通室を作製し、貫通室内に絶縁膜、導電体膜を積層し、所望形状の導電体膜電極等を作製し、貫通室内を通るイオンの軌道を制御したイオン注入装置である。図２２に示す実施形態は、高周波電源または静（直流）電圧を加速源とするシンクロトロン方式または環状型（以下環状型と記載）の加速器を基板型イオン注入方式に適用したものであり、図２２は、本発明の環状型基板型イオン注入装置を基板面に平行に見た平面図である。イオン化室２１１２でイオンを発生させ（試料供給部を含んでも良い）、そのイオンを引き出し電極・加速室２１１３で所定速度まで加速させる。その加速させたイオンを質量分離室２１１４で所望のイオンに選別し、その選別したイオンをシンクロトン方式加速室２１１７と質量分離室２１１４を接続する連結室２１１５へ送る。連結室２１１５と環状型加速室２１１７との間には、中央孔２１１６を有する基板隔壁が配置され、連結室２１１５を進むイオンはこの中央孔２１１６を通って環状型加速室２１１７の直線状貫通室である（高周波または直流電圧）加速室２１１８―１へ入る。環状型加速室２１１７は、貫通室が環状につながっており、この環状の貫通室である環状通路２１１８の中をイオンが加速しながら周回する。環状通路２１１８は、２つの直線状加速室２１１８－１、３およびこれらの２つの直線状加速室２１１８－１、３を接続する円弧（半円形）形状の円形加速室２１１８－２、４から成る。直線状加速室２１１８－１、３は高周波電圧が印加されてイオンは加速される。（または前述した直流電圧加速ででも良い。）半円形形状の円形加速室２１１８－２の２つの対面する貫通室側壁に導電体膜電極２１２１および２１２２が形成される。円形加速室２１１８－２の２つの対面する貫通室側壁に形成された導電体膜電極２１２１および２１２２は平行である。（いわゆる平行平板電極で、電極間距離ｒ１）また、半円形形状の円形加速室２１１８－４の２つの対面する貫通室側壁に導電体膜電極２１２３および２１２４が形成される。円形加速室２１１８－４の２つの対面する貫通室側壁に形成された導電体膜電極２１２３および２１２４は平行である。（いわゆる平行平板電極で、電極間距離ｒ１）

イオンは環状通路２１１８を周回し、直線状加速室２１１８－１で高周波電圧印加により図２２において左側へ加速され進行し、円形加速室２１１８－２で一定電界の力を受けて円形軌道（中心軌道半径Ｒ１）を取り（ここで、上下から磁場をかけてローレンツ力で円形軌道を描くこともできる）、次にイオンは直線状加速室１１８－３で高周波電圧印加により図２２において右側へ加速され進行し、円形加速室２１１８－４で一定電界の力を受けて円形軌道（中心軌道半径Ｒ１）を取り（ここで、上下から磁場をかけてローレンツ力で円形軌道を描くこともできる）、直線状加速室２１１８－１へ入る。これらが繰り返されて、イオンは周回するたびに加速され所定の速度（所定のエネルギー）になると、直線状加速室２１１８－１を進み直進するイオン軌道方向に配置された基板隔壁が有する中央孔２１２５を通って、出口通路（貫通室）２１２６へ入りイオン出口２１２７から出射する。イオン出口（出射口）２１２７の出口通路（貫通室）２１２６にはスキャナー（走査）部２１２８があり、２つの対面する基板側壁には導電体膜電極２１２９－１、２が形成され、この２つの導電体膜電極２１２９－１、２間の電界によりイオンは左右へ（基板面と平行方向へ）振られて（走査されて）出射する。また、図２２では図示できないが、基板面に平行な方向にも２つの導電体膜電極が形成され、これらの電極間の電界によりイオンは上下へ（基板面と垂直方向へ）振られて（走査されて）出射する。イオンの出射側に配置されたエンドステーション等へ配置されたウエハ２１３０へ上下左右に振られた（走査された）イオンが注入される。尚、連絡室２１１５や出口通路２１２７でも加速室と同様の方法で加速することができる。また、スキャナー部２１２８には磁場を形成することもできるので、磁界でイオン軌道を上下・左右にスキャンできる。たとえば、上下にコイルや電磁石を配置して磁場を変化させることによってイオンを左右（横方向）に走査でき、主基板の側面にコイルや電磁石を配置すればイオンを上下に走査できる。当然電界と磁界を組み合わせることもできる。

主基板２１１１内に形成された貫通室には、必要に応じて中央孔を有する基板側壁板が配置され、各貫通室を仕切ったり（ただし、中央孔でつながっている）、導電体膜電極が形成され電界が印加されている部分もある。中央孔を有する基板側壁板の側面等にも導電体膜電極が形成され、これらの導電体膜電極に高周波電圧や静電界等を印加し、イオンを加速したり、減速したり、収束したりすることができる。主基板２１１１は、導電体基板（たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒ等の金属またはこれらを含む合金、導電性プラスチック、導電性炭素（導電性グラフェン、導電性カーボンナノチューブも含む）、導電性半導体（たとえば、高濃度不純物元素を含む低抵抗Ｓｉ）、導電性セラミック）、半導体基板｛たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、化合物半導体（たとえば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の各種二元系半導体、各種多元系半導体）｝、絶縁体基板（たとえば、ガラス、石英、ＡｌＮ、アルミナ、各種プラスチック、各種セラミック、各種高分子基板）、およびこれらの複合基板である。導電体基板や半導体基板は、その基板上に導電体膜を形成する場合であって、基板と導電体膜と導通させない場合は、それらの間に絶縁膜を介在させる。主基板２１１１の上面には第１上部基板、下面には第１下部基板が付着している。従って、主基板２１１１内に形成された貫通室は、上部が第１上部基板に、下部が第１下部基板に、側面が主基板１１１の側壁に囲まれている。イオンはこれらの基板に囲まれた貫通室を進んでいく。上部基板、下部基板は基板内にコンタクト孔を形成しそのコンタクト孔の導電体膜を形成するので、絶縁体が良い。たとえば、ガラス、石英、ＡｌＮ、アルミナ、各種プラスチック、各種セラミック、各種高分子である。半導体基板や導電体基板を使用するときは、コンタクト孔を形成後絶縁膜（たとえば、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＮｙ膜）を積層しコンタクト孔内の導電体膜と上下部基板と導電しないようにする。主基板２１１１内に形成された貫通室は、第１上部基板や第１下部基板に設けた開口部から真空引きすることによって、所定の圧力以下に保持される。また、別（真空引き用と兼用することもできる）の開口部から貫通室のクリーニングまたはパージ用気体や液体を流すこともできる。基板の形状も円形ウエハでも良いし、図２２等に示すような矩形（長方形、正方形）でも良い。サイズも４インチ～１０インチφ、あるいはそれ以上の基板を使用できる。また矩形であれば縦および横は１０ｃｍ以上～１ｍ、あるいはそれ以上も可能である。イオン注入の機能と能力に合わせて基板サイズを選択できる。主基板の厚みも加速器や質量分析器と同様であるが、主基板の厚みは貫通室の高さとなる。たとえば、１ｍｍ～５０ｍｍである。もちろん、１ｍｍ以下でも、５０ｍｍ以上でも作製可能である、主基板上に付着する上下基板のサイズや厚みも加速器や質量分析器と同様であり、たとえば、厚みは０．０５ｍｍ～１ｍｍであるが、１ｍｍ以上でも良い。

質量分離室２１１４は、これまでに述べた磁場タイプまたは電場タイプまたはそれらを組み合わせたもの、あるいは四重極型あるいはＥＣＲ型あるいはイオントラップ型など種々の方式を使用すれば良い。イオン化室２１１３もこれまでに述べたイオン化室を使用できる。あるいは外付けでイオン化したイオンを導入して引き出し電極・加速室へ接続しても良い。加速室２１１３、２１１５、２１１８－１、２１１８－３もこれまでに述べた線形の加速室を使用できる。円形加速室２１１８－２、４は両側面に電極を有するものであるが、進行方向または上下方向に電極を分割してそれぞれに個別に電圧を印加できるようにしておけば、円形加速室の電界を変化させてイオン軌道を制御できる。この円形加速室は磁場を用いてもイオン軌道を制御できる。すなわち、主基板の上下にコイルや電磁石を配置すればローレンツ力によってイオン軌道を制御できる。さらに電場と磁場の両方を用いるとさらに精密なイオン軌道を制御できる。本明細書で記載された種々の方式は、国際出願PCT/JP2015/071538に記載されており、そこに記載された発明や技術はすべて本明細書に組み入れて適用できる。図２に示したものと同じように、図２２に示す環状軌道を取り囲む環状軌道を横方向（基板の）につなげていけば、さらに容易に高速で高濃度のイオンを発生できる。図２３は２つの環状軌道を有するシンクロトロン型または環状型（以下環状型と記載）イオン注入装置を示す図で（平面図）ある。一段目の環状軌道２１４０は図２２に示す環状型イオン注入装置と同じもので、イオン化室等も有するが、イオン出射ライン２１４３は、一段目の環状軌道２１４０の一部（円形軌道から出るようにするのが良い）に設けた開口部（中央孔を有する開口部が良い）２１４２から出て、２段目の環状軌道２１４５に設けた開口部（中央孔を有する開口部が良い）２１４４に接続する。２段目の環状軌道に入ったイオンは既に回転しているイオンと合流して回転しながら加速して、直線状加速室を進み直進するイオン軌道方向に配置された基板隔壁が有する中央孔２１４６を通って、出口通路（貫通室）２１４７へ入りイオン出口２１５０から出射する。イオン出口２１５０の出口通路（貫通室）２１４７にはスキャナー部２１４８があり、２つの対面する基板側壁には導電体膜電極２１４９－１、２が形成され、この２つの導電体膜電極２１４９－１、２間の電界によりイオンは左右へ（基板面と平行方向へ）振られて（走査されて）出射する。また、図２３では図示できないが、基板面に平行な方向にも２つの導電体膜電極が形成され、これらの電極間の電界によりイオンは上下へ（基板面と垂直方向へ）振られて（走査されて）出射する。イオンの出射側に配置されたエンドステーション等へ配置されたウエハ２１５１へ上下左右に振られた（走査された）イオンが注入される。尚、出口通路２１４７でも加速室と同様の方法で加速することができる。また、スキャナー部２１４８には磁場を形成することもできるので、磁界でイオン軌道を上下・左右にスキャンできる。たとえば、上下にコイルや電磁石を配置して磁場を変化させることによってイオンを左右（横方向）に走査でき、主基板の側面にコイルや電磁石を配置すればイオンを上下に走査できる。さらに３段目、４段目、・・・と多数段の環状軌道も本発明では同時に形成できる。多数段の環状軌道にすればより高速で高電流のイオンを作り出すことができる。しかも本発明では配線層も形成できるので、ＬＳＩチップを基板２１１１上に搭載して各電極やコイルに印加する電圧や電流を制御できるので、極めて精密にイオン軌道をコントロールできる。複数の環状イオン軌道に対して、それぞれ出射部を持つこともできる。その場合、ｎ番目の出射部とｎ＋１番目の環状イオン軌道が交叉するが、（ｎ―１番目以下の出射部とも交叉する）交叉部分のイオン軌道をＬＳＩ等で制御すれば、イオン同士が干渉することを抑えることができる。あるいは、その交叉部分において上下に主基板を付着してその付着した主基板側へイオンを導くこともできる。本発明の基板を用いたイオン注入装置は従来に比べて極めて小さく、軽いイオン注入装置（本体サイズは、たとえば、縦２０ｃｍ、横２０ｃｍ、厚み１ｃｍ以下、重さ１．５ｋｇ以下。尚、これよりも小さな基板も大きな基板も使用できる。）となる。

図２４は、イオン出射ライン２１４３と２段目環状軌道２１４５との接続領域の状態を拡大したもの（基板と平行な平面図）である。イオン出射ライン２４３は２段目環状軌道２１４５の空洞２１５９と接続開口部２１４４で接続する。イオン出射ライン２４３の両側面（基板側壁）２１５２（２１５２－１、２）の貫通室内面に電極２１５３（２１５３－１、２）および２１５４（２１５４－１、２）が形成されている。これらの電極２１５３－１、２と２１５４－１、２はそれぞれ平行な電極となっている。イオン２１６０はイオン出射ライン２４３を直進して来るが、イオン出射ライン２１４３の出口２１４４付近に来るとこれらの電極で発生する電界によって軌道を曲げられて、２段目の環状軌道２１４５の空洞２１５９を進んで来るイオン２１５１の向きに可能な限り平行な方向になって合流する。イオン出射ライン２４３の出口２１４４付近に設けた電極２１５３および２１５４は幾つかに分割されて（図２４では２つに分割だが、もっと多く分割することもできる）、それぞれ異なる電界を印加できるので、イオン２１６０の軌道を任意にスムーズに変えることができる。従って、これらの分割された電極への電圧を（電界）を調整して出来る限り、イオン２１６１に合流するようにできる。２段目環状軌道２１４５の空洞２１５９の基板側面（側壁）２１５５－１、２１５７のイオン出射ライン２１４３の出口（開口部）２１４４の付近にも幾つかに分割された電極２１５６（２１５６－１、２）および２１５８（２１５８－１、２）が形成されている。これらの平行平板電極２１５６（２１５６－１、２）および２１５８（２１５８－１、２）にも電圧を印加してイオン出射ライン２１４３の出口（開口部）２１４４から出るイオン２１６０の軌道を変えることができ、イオン２１６０の軌道を空洞２１５９を通るイオン２１６１と合流できるように調整できる。これらの平行平板電極２１５６（２１５６－１、２）および２１５８（２１５８－１、２）にも異なる電圧を印加して精密にイオン軌道を調整できる。また、平行平板電極２１５６および２１５８はもっと多く分割してさらに正確にイオン軌道をコントロールできる。また、電極２１５３、２１５４および２１５６、２１５８は基板厚み方向にも分割でき、イオン軌道を上下左右にも調整できる。さらに主基板の上下にコイルや電磁石を配置すれば、基板の厚み方向に磁界を発生させることができるので、これらの磁界によってもイオン軌道を調整することができる。従って、電界と磁界を用いてさらにイオン軌道の正確な調整をすることができる。

本発明の基板型イオン注入装置は上下に重ねて多段イオン注入装置とすることもできる。多段にすることによってより高速（高エネルギー）のイオンとすることができるとともに、各段にイオンを蓄積できるので、高ドーズのイオン注入を行なうこともできる。図２５は、２段に積層したイオン注入装置の軌道連結部の断面を示す図である。１段目の環状軌道２１７０は下部基板２１７１上に主基板を付着し、その上に上部基板２１７２を付着している。１段目の環状軌道２１７０は空洞２１７５を有し、その中をイオン２１７６が回転している。同様に２段目の環状軌道２１８０は下部基板２１８２上に主基板を付着し、その上に上部基板２１８１を付着している。２段目の環状軌道２１８０は空洞２１８５を有し、その中をイオン２１８６が回転している。１段目の環状軌道２１７０と２段目の環状軌道２１８０は積層されるが、１段目の環状軌道２１７０の上部基板の開口部２１７７と２段目の環状軌道２１８０の下部基板の開口部２１８７の所で連結され、１段目の環状軌道２１７０の空洞２１７５と２段目の環状軌道２１８０の空洞２１８５は繋がっている。１段目の環状軌道２１７０の開口部２１７７のイオン進行方向の後方において、下部基板２１７１の上面に電極２１７３が形成され、上部基板２１７２の下面に電極２１７４が形成されている。これらの電極２１７３および２１７４は平行平板電極となっており、この間に電界を発生させて、イオン軌道２１７６を進むイオンの軌道を上方に変えて開口部２１７７および２１８７を通るイオン軌道２１７９になる。２段目の環状軌道２１８０の開口部２１８７のイオン進行方向の前方において、下部基板２１８２の上面に電極２１８４が形成され、上部基板２１８１の下面に電極２１８３が形成されている。これらの電極２１８３および２１８４は平行平板電極となっており、この間に電界を発生させる。開口部２１７７および２１８７を通るイオン軌道２１７９を進んできたイオンは、平行平板電極の間に入り、電界の力を受けて軌道を変えられて、２段目の環状軌道２１８０の空洞２１８５を通るイオン軌道２１８６に入り、周回する。あるいは、この開口部において、基板に垂直方向にコイルや電磁石を配置することによって、基板に平行な方向（紙面に垂直方向）に対して磁界を印加してイオン軌道を上方に変更できる。小さなコイルを多数配置しそれぞれの磁界を個別にコントロールすることによって、さらに正確にイオン軌道を制御できる。これらの制御はＬＳＩを使用して行なうことができる。これを繰り返せば、上下に多数の環状軌道を積層できるので、多段イオン注入装置となる。多段に積層したときに、中間の環状軌道への真空引きや電気配線の供給は、各段の隙間（軌道など何もない領域）を開口してその部分から行なえば良い。また、軌道の制御は各電極への電圧および電流の制御を行なうようなＬＳＩチップを用いれば良い。また、真空計や温度計や電流計等の各種センサを各所に設置しておけば各段の環状軌道の状態を把握し制御することもできる。図２２や図２３では、質量（選別）分離室２１１４に接続する加速室として環状の加速室２１１８を用いたが、十分な加速と電流（イオン量）を取ることができれば、線形加速室（たとえば、２１１８－１）だけを接続しても良い。イオン化室２１１２は、外付けでも良く、その場合、外付けのイオン化室を引き出し電極・加速室２１１３のラインに接続し、イオン化室で発生したイオンを引き出し電極・加速室２１１３へ導く。

図２６はＲＦＱ（Radio　Frequency　Quadrouple）型線形加速器の一例を示す図である。内部が空洞２１９４を持つ両端が開口された導電性の筒体２１９３が基板内に形成された空洞（貫通室）２１９１内に配置されている。筒体２１９３の空洞２１９４には四重極電極２１９７が配置されている。この四重極電極２１９７、２１９８は、たとえば先端部を長さ方向に波形条に形成した４枚の電極（ヴェイン電極）や４本のロッド電極、その他の形状を有する電極であり、四重極電極２１９７、２１９８が囲む空間を通るイオンビーム（加速軸）に沿って、４本の四重極電極２１９７、２１９７および２１９８、２１９８は直交するように対向して配置され、相対向する電極はそれぞれ山と山、または谷と谷が向かい会うとともに、互いに９０度隔てた隣り合う四重極電極同士２１９７、２１９７および２１９８、２１９８は山と谷とが交互に隣合うように配置された構成とされている。一方の対向する一対の電極２１９７、２１９７は筒体２１９３に電気的に短絡されており、他方の対向する一対の電極２１９８、２１９８は空洞（貫通室）２１９１を囲む基板２１８８および／または２１８９にステム２１９６および／または支持台座２１９５で支持されて、空洞共振器が構成されている。空洞２１９１を囲む基板の所定位置につながる高周波導入ライン２１９９によって、一対の電極２１９７、２１９７および対向する一対の電極２１９８、２１９８に、互いの符号が異なるように高周波電力が印加される。以上のように構成されたＲＦＱ線形加速器は、一対の電極２１９７、２１９７を内導体とするとともに筒体２１９３を外導体とする第一の同軸線路の周りに、導体２１９３を内導体とするとともに基板２１８８および／または２１８９を外導体とする第二の同軸線路が、折り返されるように結合された構造となっている。

図２７は図２６に示すＲＦＱ型線形加速器の作製方法を示す図である。左側の図が長手方向（イオン進行方向に平行）の断面模式図で、右側の図がそれと垂直方向の断面模式図である。導電体基板３００１上に導電体基板３００２を付着させる。（図２７（ａ））これらの導電体基板の材料は、たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属または合金、あるいは、高濃度に不純物元素をドープした低抵抗の半導体（たとえば、Ｓｉ）である。付着法は、常温接合法、高温接合法、拡散接合法等の直接接合法、または導電性接着剤や半田等の低融点合金を介在した接着法など各種接合法を使用できる。導電体基板３００１および導電体基板３００２は異種材料でも良いし、同種材料でも良い。次にフォトリソ法等を用いて導電体基板３００２の不要な部分を除去して貫通孔（貫通室）３００３（３００３－１、２、３）を形成する。この除去方法は、エッチング（ＷＥＴまたはドライ）、レーザーエッチング、打ち抜きがある。エッチング法では、フォトリソ法で形成した感光性膜等とエッチング材料である導電体基板３００２とのエッチング選択比を考慮して感光性膜等の厚みを選択する。サイドエッチングはあっても良いが、マスクパターン通り形成するために垂直エッチングが望ましい。また下地材料である導電体基板３００１が余りエッチングされないようなエッチング条件でエッチングすることが望ましい。レーザーエッチングや打ち抜きの場合はフォトリソ法等でのマスクを使用しないマスクレスで行なうこともできる。貫通室３００３－１は図２６で示した筒体２１９３の内側の空洞２１９４となる部分である。導電体基板３００２を導電体基板３００１に付着する前にパターニングすることもできるが、残すべき部分３００２（３００２－１、２、３）は図２６で示した筒体２１９３の側面部分であるから、除去する部分３００３－２を全部除去すると残すべき部分３００２（３００２－１、２、３）も取れてしまうので、一部を残しておかなければならない。しかし、打ち抜き法やモールドインゴット法を使用できるので工程が簡略になるという利点がある。（図２７（ｂ））また、導電体基板３００１と導電体基板３００２を１枚の導電体基板にして断面形状がコの字状になるようにエッチング等しても良い。すなわち、この場合は貫通孔（室）を形成せずに凹部形成となる。

次に、基板３００４を導電体基板３００１に付着させる。基板３００４と導電体基板３００１を電気的に導通する場合は、基板３００４は導電体基板で良い。この場合において、半導体基板や絶縁体基板を使用することもできるが、基板３００４をエッチングした後で、パターン３００４－１（図２７（ｄ）に示す）上に導電体膜を形成し、導電体基板３００１と基板３００４上に付着する導電体基板３００７との導通を取る。基板３００４と導電体基板３００１を電気的に導通しない場合は、基板３００４は絶縁体基板が良い。この場合において、基板３００４として半導体基板や導電体基板を使用する場合は、導電体基板３００１上に絶縁体膜を積層するか、基板３００４をエッチングした後で、パターン３００４－１（図２７（ｄ）に示す）上に絶縁体膜を形成し、導電体基板３００１と基板３００４上に付着する導電体基板３００７とが導通しないようにする。次に導電体基板３００１の筒体部分３００１－１を分離するために、筒体２１９３の側面部分３００２（３００２－１、２、３）の周囲の導電体基板３００１を除去し、貫通孔（貫通室３００５（３００５－１、２、３、４）を形成する。これによって、導電体基板３００１の周囲３００１－２と筒体部分３００１－１は分離される。基板３００４は、筒体２１９３を支持するためのステム２１９６を作製することと、空洞２１９１を取り囲む基板となる。そこで、フォトリソ法等を用いて基板３００４をエッチング等して不要部分を除去して貫通室３００６（３００６－１、２、３、４）を形成する。これらの貫通室３００６（３００６－１、２、３、４）は空洞２１９１となる。除去されない部分３００４－１はステム２１９６となり、貫通室３００６（３００６－１、２、３、４）を囲む部分３００４－２は空洞２１９１を取り囲む基板となる。付着方法はこれまでに述べた方法を選択できる。導通を取らない場合は接着剤を使う場合は絶縁性接着剤が良い。貫通室３００６（３００６－１、２、３、４）は筒体２１０３を囲む空洞２１９１である。貫通室３００６（３００６－１、２、３、４）は貫通孔（貫通室３００５（３００５－１、２、３、４）と接続する。

基板３００４の上に導電体基板３００７を付着する。付着方法はこれまでに述べた方法で行なうことができる。導電体基板３００７は第二の同軸線路の外導体となる。導電体基板３００７は加速器の部分だけをカバーすれば良いので、不要な部分はエッチング等で除去する。予め不要部分を除去した導電体基板３００７を基板３００４上に付着しても良い。（図２７（ｅ））この結果、ＲＦ型線形加速器の上半分または下半分が作製された。筒体となる導電体基板３００１－１とその側面となる３００２－１～３をステム３００４－１で支持し、ステム３００４－１は導電体基板３００７に接続する。ＲＦ型線形加速器の上下はほぼ対称形なので、図２７（ｅ）に示したものと同じものを作製し、イオン注入の加速室や加速器の加速室や質量分析装置の加速室等に四重極電極３００９をセットした後で、その上下から図２７（ｅ）に示したものを合わせ込みながら、加速室の上下基板３０１０、３０１１の上面および下面に、導電体基板３００１の外側を付着させる。このとき、同時に筒体３００２の端面３００８同士も付着できるように、全体のサイズを合わせ込む。これらの付着もこれまでに示した方法を用いることができる。四重極電極３００９と筒体または外側導電体基板３００７との電気的コンタクトは、これまでに述べた方法で加速室基板３０１０や３０１１を通してコンタクト孔や配線層を形成して取ることができ、あるいは直接これら同士を接触させたり、あるいは直接接続するコンタクトや配線層を設けたり、あるいはステムや支持台座を通じたり、あるいはステム支持台座を利用して配線層を設けたりして取ることができる。四重極電極３００８の搭載もこれまでに示した方法で行なうことができる。（たとえば、図２６について示した図や説明）加速室左側の貫通室３０１２からＲＦ型線形加速器の空洞３０１３に出たイオン３０１４は、筒体空洞３０１５へ入り収束および加速されて加速室右側の貫通室３０１６へ送られる。尚、筒体を支持するステム３００４は上下に２つ記載したが、一方は図２６に示す支持台座２１９５でも良いし、支持できれば１つだけでも良い。この結果、極めて簡単に、しかも正確にＲＦ型線形加速器を本発明の基板型で作製できる。支持台座２１９５はステムの形成方法と同様の方法で作製できる。また、導電体基板を用いて作製している基板に関しては、絶縁体基板や半導体基板の表面（本件の場合は、特に空洞内面）に導電体膜を積層して導電性を確保することもできる。

図２８は、線形加速器の別の加速方法（ＩＨ（Interdigital　H）型）（APF（Alternating　Phase　Focus）を含む）を示す図である。図２８（ａ）はその構成を示す図である。筒体電極（ドリフトチューブとも言う、導電体で形成）３０２０を多数有する加速器であり、イオンの進入方向からｉ番目の筒体電極３０２０－ｉの厚みをＭｉ、ｉ番目の筒体電極３０２０－ｉとｉ＋１番目の筒体電極３０２０－ｉ＋１番目の距離をＬｉとする。筒体電極３０２０は中央部分に中央孔３０２３があいていて、この中をイオンビーム３０２５が通る。筒体電極３０２０は空洞内に支持ステム３０２４で空洞を囲む基板につながっている。筒体電極３０２０は上下に２つの部分（３０２１．３０２２）に分離して作製され、その端面３０２６で付着している。筒体電極はイオンビームに対して略垂直に配置される。各筒体電極にはステムを通して高周波電圧が印加され、この中を通るイオンを加速できる。筒体電極間距離Ｌｉ＋Ｍｉ／２は高周波に同期するように予め決められて配置される。従って、環状型イオン注入装置で周回してきたイオンはこの加速器でその都度加速されていく。図２８に示す線形加速器は、図２６および図２７で示す方法と殆ど同じ方法で簡単に作製できる。中央孔の大きさ、筒体電極のサイズ、Ｍｉ、Ｌｉ、空洞の大きさはイオンビームの加速電圧、電流、印加する高周波特性等によって適宜決めることができる。図２８（ｂ）は、図２７に示す構造の作製方法の一部を示す図である。図２８（ｂ）は図２７（ｅ）に相当する。プロセスは図２７に示す方法と殆ど同じなので、同じ符号を付し、異なる所を中心に説明する。ドリフトチューブ３０２０の半分３０２１（または３０２２）を構成する導電体基板３００１、３００２の作製方法は同じであり、これらを１つの基板とすることもできるし、同じ材料で構成することもできる。ドリフトチューブ３０２１は多数配置される。基板３００７が絶縁体である場合、ステム基板３００４と絶縁体基板３００７の接着には接着剤や密着可能な金属や各種接合法を用いて行なう。次に絶縁体基板３００７にステム３００４に接続用のコンタクト孔３０３１を形成し、導電体膜３０３２をコンタクト孔に積層し、ステム３００４と導通を取る。さらにコンタクト孔に接続する電極３０３３をパターニングする。接着剤が導電性のない接着剤の場合は、コンタクト孔形成のときに露出した接着剤を除去しておく。また、コンタクト孔３０３１および導電体膜３０３２はステム基板３００４に付着する前に絶縁体基板３００７に形成しても良い。この場合は、各コンタクト孔３０３１に合わせて各ステムが接続するように絶縁体基板３００７とステム基板３００４を付着させる。このときに接着剤を使用する場合は導電性接着剤とする。これと同じものを作製し、図２７（ｆ）に示すように間に、主基板等を間に挟んでドリフトチューブ３０２０の他の半分を付着させる。すなわち、３０２１の端面３０２６と３０２２の端面３０２６を合わせて付着させる。１つおき同士の電極（たとえば、３０３３－ｉと３０３３－ｉ＋２）に同じ位相の高周波を印加し、別の１つおき同士の電極（たとえば、３０３３－ｉ－１と３０３３－ｉ＋１）にそれと異なる位相の高周波を印加して、ドリフトチューブ３０２０を通るイオンを加速させる。あるいは、それぞれ次第に変化する位相の高周波を順々に隣接する電極に印加してドリフトチューブ３０２０を通るイオンを加速させることも可能である。特に本発明のＩＨ型加速器ではそれぞれのドリフトチューブに上下に電極が形成されているので、イオン加速に最適な高周波の最適印加が可能である。基板３００７が導電体基板の場合には、この導電体基板３００７と導電性を取りたくないドリフトチューブ（たとえば、３０３３－ｉ－１と３０３３－ｉ＋１）のステム３００４と導電体基板３００７の接着には絶縁性接着剤を使用する。ただし、これと付着する反体側の接着は導電性を取るようにする。こうすることによって、上側に配置される導電体基板３００７と接続するドリフトチューブと下側に配置される導電体基板３００７と接続するドリフトチューブとを上下交互に導電するように配置することができる。さらに導電体基板とステム３００４との間にリッジ用の基板を配置して加速電界が空洞全体にわたり均等に発生させることもできる。

図５に示す加速空洞電極３１０の構造は図２８に示すドリフトチューブ３０２０とほぼ同じ構造であるから、その作製方法も同様で良い。ただし、コッククロフト・ウォルトン型静電加速器の場合は電極間距離は一定で良い。これらの図５に示す加速空洞電極３１０の構造は図２８に示すドリフトチューブ３０２０の別の構造と作製方法を図３０に示す。図３０は、荷電粒子の線形加速装置の構造を示す図である。図２では１３や３９に使用でき、その他、単独でも線形加速器としても使用できる。図３０（ａ）は基板（主基板９１の上面に第２基板（上部基板）９２が、下面に第３基板（下部基板）が付着）の厚み方向断面構造図（加速空洞９９の進行方向、すなわち荷電粒子Ｇの進行方向）、図３０（ｂ）は基板面に平行な平面図で、図３０（ｃ）は厚み方向断面構造図（加速空洞９９の進行方向、すなわち荷電粒子Ｇの進行方向に対して垂直方向）である。加速装置内の荷電粒子Ｇが通る加速空洞９９は、主基板（第１基板）９１（厚みｈ１）に形成した貫通孔（室）９９（幅ａ１）の上部を第２基板（上部基板）９２で、下部を第３基板（下部基板）９３で付着して内部の貫通孔（加速空洞）９９は気密空間となっている。この加速空洞９９内に長手方向（荷電粒子の進行方向）に環状電極（貫通孔９９の側壁、上部基板９２下面、下部基板９３の上面に形成された連続した（電気的に一繋ぎとなった）電極）９４が離間して多数形成される。（９４－１、２、・・・）たとえば、環状電極９４－１は、深さｈ１、幅ａ１の貫通孔９９において、貫通孔９９の側壁に導電体電極９４Ｓ１および９４Ｓ２が形成され、さらに、上部基板９２の下面に導電体電極９４Ｕ、並びに下部基板９３の上面に導電体電極９４Ｂが形成され、これらの導電体電極９４Ｓ１、９４Ｓ２、９４Ｕおよび９４Ｂは電気的に接続し、長さ（加速空洞９９の長手方向）ｋ１であり、より正確な形状は矩形形状である。導電体電極の厚みをｔ１（すべて一定と仮定する）と、導電体電極９４Ｓ１と９４Ｓ２の距離ｂ１は、ａ１－２ｔ１で、導電体電極９４Ｕと９４Ｂの距離ｄ４は、ｈ１－２ｔ１である。たとえば、ａi＝1mm、h1=1mm、導電体膜の厚みを10μmとすれば、ｂi＝0.98mm、ｄi＝0.98mmとなる。

この環状電極９４－１の隣には、距離ｊ１で離間して長さｋ２の環状電極９４－２が形成され、その隣には、距離ｊ２で離間して長さｋ３の環状電極９４－３が形成され、加速空洞９９内には多数の環状電極９４が形成される。荷電粒子Ｇの進行方向において、ｉ番目の環状電極９４－ｉの長さをｋｉとし、その次のｉ＋１番目の環状電極９４－（ｉ＋１）との距離をｊｉとする。環状電極９４（９４－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）の上部基板９２にコンタクト孔が形成され、そのコンタクト孔にコンタクト電極９５（９５－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）が形成され、さらにそのコンタクト電極９５に接続する上部電極９６（９６－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）が形成され、上部電極９６は上部基板９２の下面に形成されている導電体電極９４Ｕと電気的に接続する。また、環状電極９４（９４－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）の下部基板９３にコンタクト孔が形成され、そのコンタクト孔にコンタクト電極９７（９７－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）が形成され、さらにそのコンタクト電極９７に接続する下部電極９８（９６－ｉ：ｉ＝１、２、・・・）が形成され、下部電極９８は下部基板９３の上面に形成されている導電体電極９４Ｂと電気的に接続する。このように空洞９９の主基板９１の内面に形成された各環状電極９４（９４－ｉ）には上下基板上に形成された外側電極９６（９６－ｉ）および９８（９８－ｉ）から電圧を印加できるが、どちらか一方だけでも良い。従って、どちらか一方だけでも良いが、同時に印加すれば効果的に即座に環状電極９４（９４－ｉ）内が同電位になる。各環状電極９４（９４－ｉ）にイオンＧと逆電位の電圧を印加すれば、各電環状電極９４（９４－ｉ）の電位Ｖｉによってイオンは加速して進んでいく。たとえば、イオンの質量をｍ、各環状電極９４（９４－ｉ）で増える速度をΔｕiとすれば、1/2m(Δｕi)²=zeVが成り立つ。従って、多数個並べるとイオンを非常に高速にできる。たとえば、ｍ＝１０^－２５kg、ｚ＝１、Ｖ＝１０Ｖとすれば、Δｕi＝5.6km/sec（１電極あたり）、そこで１万個並べれば、5.6万km/secとなる。すなわち、ｋi=10μm,ｊi=5μmとすれば、15cmの長さの加速空洞を作製すれば良い。このように、非常に短い距離で超高速のイオンを実現できる。ただし、イオンは環状電極にも引かれて発散もするので、収束も行なう必要がある。イオンを収束するには、イオンと同電位の電圧を印加する電極を配置するか、四重極磁場をかける。これらを組み合わせながら所望の速度を有するイオンを得ることができる。また、図３０に示す加速室では、上部基板９２および／または下部基板９３に開口部１００が１つまたは複数空いていて、この開口部１００を通して空洞９９を真空びきしたり、あるいは不活性ガス等を導入して内部をクリーニングしたりパージできるようになっている。コッククロフト・ウォルトン型静電加速器の場合は電極間距離は一定で良く、高周波電圧印加の場合は電極間距離を変化させれば良い。

図２９は、別の線形加速室における加速方法を示す図である。図２２に示す連結室２１１５や円形加速室２１１８－２から進んで来るイオンが線形加速室２１１８－１、３に入ると、中央孔２１３９（２１３９－１、２、・・・）を有し、中央孔２１３９に導電体膜２１３２が形成された基板側壁２１３６（２１３６－１、２、・・・）の中央孔を進み、そこに印加された高周波電界または静電界によってイオンが加速し、隣の円形加速室２１１８－２、４に入る。この繰り返しでイオンは加速しながら周回し、所定速度（加速電圧）になったら出射する。貫通室の間にも基板側壁２１３５（２１３５－１、２）があり、軌道を外れたイオン等はこの基板側壁に衝突して隣室へ進入できない。また、この基板側壁２１３５（２１３５－１）により、基板側壁電極２１３６－１の側面に引きつけられず、中央孔を進むようになる。この２１３５（２１３５－１）にも導電体膜を形成し、イオンと同じ電圧を印加しておき、イオンを収束するようにしても良い。線形加速室２１１８－１、３に形成された基板側壁２１３６に形成された導電体膜は、上下基板２１０８および２１０９に形成されたコンタクト電極・配線２１３３を通して基板上の電極・配線２１３４に接続する。各基板側壁電極２１３６（２１３６－１、２、・・・）にそれぞれ基板上の電極・配線２１３４が形成されており、個々に電圧を印加できる。たとえば、基板側壁電極２１３６－１にイオンと逆の電圧（｜Ｖ｜）を印加して、イオンを加速する。その隣の基板側壁電極２１３６－２にこれより少し大きな電圧（｜Ｖ｜＋Δｖ1）を印加してさらに加速させる。その隣にさらに大きな電圧（｜Ｖ｜＋Δｖ1＋Δｖ２）を印加するという風にしてイオンをどんどん加速させる。イオンが発散してきたらイオンと同電荷の電圧を印加した基板側壁電圧を設けて収束させる。これを繰り返して所定の速度にイオンを加速させる。基板側壁電極の間に導電体膜のない基板側壁（中央孔あり）または電圧を印加しない導電体膜ありの基板側壁（中央孔あり）を設けて、イオンの発散を防止しても良い。また、上下基板に電極・配線を形成できるので、電圧の印加自由度が増大する。以上のようにして静電界を用いてイオンを加速できる。

また、高周波電界を用いてイオンを加速できる。たとえば、１つおきの電極に同じ高周波電圧を印加し、他の１つおきの電極に異なる位相の同じ高周波電圧を印加して、イオン速度と同期をとることによってイオンを加速できる。２つおきの電極やｍ個おきの電極に同じ高周波電圧を印加し、その間の電極同士には位相が次第に変化するように高周波電圧を印加することによってもイオンを加速することができる。本発明の基板側壁電極は個別に、しかも上下に電極・配線２１３４を持っているので、高周波電圧の掛け方をイオン速度に合わせて変化させることができ、効率的なイオンの加速を行なうことができる。しかもＬＳＩチップをすぐそばに配置することもできるので、これらの制御を迅速に自動的に行なうことができる。また、高周波を印加しない導電体膜有り無しの基板側壁（中央孔有り）を配置できるので、高周波漏れによる干渉も防止することも容易である。上下基板２１０８、２１０９に開口部２１３７を設けて貫通室を真空引きすることもできるし、クリーニングやパージをすることもできる。図２９（ｂ）はＡ１－Ａ２断面（イオン軌道Ｇに対して垂直）図であり、中央孔２１３９の側面に導電体膜２１３２が積層されている。中央孔２１３９の周辺は主基板２１１１であるが、貫通室の境界を２１４１（２１４１－１、２）で示している。基板側壁電極間隔も自由に選択できるので、高周波同期をとり易い構造となっている。図２９（ｃ）もＡ１－Ａ２断面（イオン軌道Ｇに対して垂直）図であるが、異なる基板側壁を示す。基板側壁２１３６と主基板２１１１の貫通室側面２１１１（２１１１－１、２）の間に間隙２１４２－１、２が形成されている。また、基板側壁２１３６の外側側面に導電体膜２１４３－１、２が形成されている。これらの導電体膜２１４３－１、２は中央孔導電体膜２１３２と接続している。高周波電圧をこの導電体膜２１３２に印加した場合、この間隙（ギャップ）２１４２により高周波電界の同期がよりスムーズになる。すなわち効率が良くなる。基板側壁電極間隔も自由に選択できるので、高周波同期をとり易い構造となっている。本明細書では、中央孔を設けた基板側壁を作製するように展開してきたが、特に必要がなければ設ける必要がないことは言うまでもない。また、中央孔の大きさも極端に小さくする必要がなければ貫通室の大きさに近くても良い。たとえば、貫通孔が高さａ、幅がｂとしたとき、中央孔のサイズは高さはａの１／１０～ａ、ｂの１／１０～ｂまでの範囲で適宜適切な値を選択すれば良い。もちろん、ａ／１０やｂ／１０より小さくする必要がある場合は、そのように形成することもできる。たとえば、ａの大きさは０．１ｍｍ～５０ｍｍ、ｂの大きさも０．１ｍｍ～５０ｍｍとして、適宜適切な値を選択すれば良い。中央孔の中に導電体膜を形成する必要がなければ形成しなくても良い。以上述べたことは加速器や質量分析装置など本明細書で述べた同様のおよび類似の構造についてすべてに適用でき、加速器や質量分析装置など明細書で述べたことについてはイオン注入装置やその他の装置（マイクロトロン、サイクロトロンも含む）などの同様のおよび類似の構造についてもすべて適用できる。さらに本発明は、本発明者および本出願人が出願した国際出願（PCT/JP2015/071538）に記載されたすべての発明に適用できるものであるから、国際出願（PCT/JP2015/071538）に記載されたすべての発明の内容を本出願の発明に組み込むことができる。また、明細書の各部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。

本発明は、加速装置や質量分析装置やイオン注入装置だけでなく、それらを構成する個々の要素・機構に適用できる。加速機構を使用するすべての装置に使用することができる。

２１１１主基板、２１１２イオン化室、２１１３引き出し電極・加速室、２１１４質量分離室、２１１５連結室、２１１６中央孔、２１１７環状型加速室、２１１８加速室、２１２１導電体膜電極、２１２２導電体膜電極、２１２３導電体膜電極、２１２４導電体膜電極、２１２５中央孔、２１２６出口通路（貫通室）、２１２７イオン出口、２１２８走査部、２１２９導電体膜電極、２１３０ウエハ

Claims

第１主基板、第１主基板の上面に付着した第１上部基板、および第１主基板の下面に付着した第１下部基板を含む複数の基板から構成されるイオン注入装置であって、
イオンは、第１主基板の上面から第２主基板の下面に貫通する空洞（以下、貫通室）を通って加速されることを特徴とするイオン注入装置。
前記イオン注入装置は、複数の貫通室を有し、前記複数の貫通室は、イオンを発生するイオン化室、前記イオン化室で発生したイオンを引き出して所定速度まで加速させるイオン引き出し・加速室、前記イオン引き出し・加速室で加速したイオンを所望の質量／電荷比を有するイオンとして選別分離するイオン質量分離室、前記イオン質量分離室から選別分離したイオンを所定速度まで加速させるイオン加速室、前記イオン加速室で加速させたイオンを走査し、前記イオン注入装置の外部へイオンを出射するイオン走査・出射室を含むことを特徴とする、請求項１に記載のイオン注入装置。
前記イオン加速室は、直線形状の貫通室であり、前記貫通室に中央孔を有する直方体形状の電極（イオン加速室直方体形状電極）が複数配置され、前記中央孔は第１主基板の面にほぼ平行であるとともに、荷電粒子の進行方向にもほぼ平行であり、前記中央孔は貫通室のほぼ中央に配置され、荷電粒子の通路であり、前記イオン加速室直方体形状電極へ高周波電圧または直流電圧を印加することによって、イオンを加速させることを特徴とする、請求項２に記載のイオン注入装置。
前記イオン加速室は、２つの直線形状の貫通室および２つの円形状の貫通室を接続した環状の貫通室であり、前記直線形状の貫通室は、前記貫通室に中央孔を有する直方体形状の電極（イオン加速室直方体形状電極）が複数配置され、前記中央孔は第１主基板の面にほぼ平行であるとともに、荷電粒子の進行方向にもほぼ平行であり、前記中央孔は貫通室のほぼ中央に配置され、荷電粒子の通路であり、前記イオン加速室直方体形状電極へ高周波電圧または直流電圧を印加することによって、イオンを加速させることを特徴とし、
前記円形状貫通室は、前記円形状貫通室の両側の側壁面に形成した電極間に印加された電界によって円形状にイオンを曲げるか、前記円形状貫通室の上部に付着した第１上部基板の外側に配置した電磁石および前記円形状貫通室の下部に付着した第１下部基板の外側に配置した電磁石で発生する磁界によって円形状にイオンを曲げるかして、前記環状のイオン加速室をイオンが周回することを特徴とする、請求項２に記載のイオン注入装置。
前記イオン加速室直方体形状電極は、第１主基板と一体となった基板側壁電極であるか、支柱に支持された電極であることを特徴とする、請求項３または４に記載のイオン注入装置。
前記イオン質量分離室は、円形状貫通室であり、前記円形状貫通室の両側の側壁面に形成した電極間に印加された電界によって円形状にイオンを曲げるか、前記円形状貫通室の上部に付着した第１上部基板の外側に配置した電磁石および前記円形状貫通室の下部に付着した第１下部基板の外側に配置した電磁石で発生する磁界によって円形状にイオンを曲げるかして、イオンを選別分離することを特徴とする、請求項２～５のいずれかの項に記載のイオン注入装置。
前記イオン走査・出射室は、イオン出口部において、貫通室の２つの側面に形成した電極に印加された電界、および貫通室の上下面に付着した第１上部基板と第１株基板に形成した電極に印加された電界によって、横方向（前記貫通室側面方向）および上下方向（前記貫通室上下面方向）にイオンを走査することを特徴とする、請求項２～６のいずれかの項に記載のイオン注入装置。
前記イオン加速室は、複数配置された環状形状であり、最も小さなイオン加速室の外側に順次複数の環状形状のイオン加速室が配置されていることを特徴とする、請求項３～７のいずれかの項に記載のイオン注入装置。
前記イオン注入装置は３Ｄプリンターによって作製されたものであることを特徴とする、請求項１～８のいずれかの項に記載のイオン注入装置。