(57)【要約】【課題】  荷電粒子源の異常放電を正確に検出可能な荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】  荷電粒子源１２と、該荷電粒子源１２に加速電圧を印加する加速電圧源３と、コアＣにギャップＧを有し前記加速電圧源３と荷電粒子源１２間に1次側巻き線が接続されたトランス３０と、該トランスの２次側巻き線Ｎ２に流れる電流又は発生する電圧に基づいて１次側巻き線Ｎ１に流れる電流を検出する１次側電流検出回路と、該１次電流検出回路の出力に基づいて放電を検出する放電検出回路を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、
該荷電粒子源に加速電圧を印加する加速電圧源と、
コアにギャップを有し前記加速電圧源と荷電粒子源間に1次側巻き線が接続されたトランスと、
該トランスの２次側巻き線に流れる電流又は発生する電圧に基づいて１次側巻き線に流れる電流を検出する１次電流検出回路と、
該１次電流検出回路の出力に基づいて放電を検出する放電検出回路を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
荷電粒子源を複数有し、
１つの前記加速電圧源から複数個の荷電粒子源に加速電圧を印加するように構成されると共に、
前記各荷電粒子源と前記加速電圧源間に前記トランスを配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子線装置に使用される放電検出回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子線装置は荷電粒子を熱電子放出させたり、電界放出させたりすることにより発生させ、その発生した荷電粒子を加速させ、被照射物に照射する。このような荷電粒子線装置は、電子顕微鏡、Ｘ線管、電子ビーム加熱装置、電子ビーム露光装置等多数あり、微少領域の観察、分析、加工、加熱、Ｘ線発生装置など幅広い分野で使われている。
【０００３】
このような荷電粒子線装置の一つである電子線照射装置の構成例を図１に示す。
【０００４】
図中１は熱電子を放出するフィラメントであり、２はフィラメント１に電流を流すフィラメント電源である。３は加速電圧電源でフィラメント１に加速電圧を印加する。５０は荷電粒子線が照射される試料であり、試料５０はグランドに電気的に接続されている。５はフィラメント１から放出される電子線である。
【０００５】
フィラメント１から試料５０まで、電子線の通る部分は真空チャンバ６の中にあり、真空チャンバ６は真空ポンプ(図示せず)により真空に引かれる。真空チャンバ６は電気的にグランドに接続されている。加速電圧上の電位にあるフィラメント１は絶縁碍子７で絶縁しチャンバ６に保持されている。また、絶縁碍子７にはウエネルト８がフィラメント１を取り囲むように取り付けられている。ウエネルト８とフィラメント１間にウエネルト電源４が接続してあり、フィラメント１に対し負(マイナス)の電位を印加している。１０はカソードであり、ウエネルト８を取り囲むように取り付けられている。また、カソードは電気的にグランドに繋がっている。
【０００６】
フィラメント１の先端から試料５０へ電子線５が照射されるようにウエネルト８にはウエネルト穴９が開けられ、カソード１０にはカソード穴１１が開けられている。フィラメント１、ウエネルト８、カソード１０で荷電粒子線源である電子銃１２を構成している。
【０００７】
２０は加速電圧を２本の抵抗で分圧する分圧器である。２１は比較器であり、加速電圧を分圧器２０で分圧した電圧を、比較基準電圧源２２が出力する基準電圧Ｖｒｅｆと比較し放電検出信号を出力する。２３は保護回路で比較器２１からの放電検出信号を受けて動作する。
【０００８】
このような装置において、電流をフィラメント電源２からフィラメント１に流しフィラメント１を加熱する。加熱されたフィラメント１からは熱電子が放出される。しかし、フィラメント１の周囲にウエネルト８がウエネルト電源４によりフィラメント１に対し負(マイナス)の電位に印加されている。そのため、負の電荷を持つ熱電子はウエネルト８に対し反発する。そして熱電子はウエネルト８に開けられた穴９を通りカソード１０に引き寄せられて加速し、電子線となってカソード１０の穴１１を通り試料４に照射される。
【０００９】
電子を加速する加速電圧は低くても１ｋV程度で、時には１０００ｋVに及ぶ事もあり、加速電圧とグランド間で不要な放電がしばしば発生する。これを不用放電と呼ぶ。不要放電が起こると加速電圧源３の出力はグランドに短絡されるのと同じ状態となり急激な放電電流が流れる。連続的な不要放電は加速電圧電源３の破壊を引き起こす事もある。また、荷電粒子線装置を電子ビーム蒸着装置として使った場合は不要放電による加速電圧の変動で均一な蒸着膜が出来ず不良品の原因になったりすることもある。この不用放電を検出し、不用放電が発生しても加速電圧が安定するように制御する方法、また不要放電が起きると加速電圧印加を停止し、保護する方法などが考案されている。
【００１０】
不用放電の検出は、加速電圧が不用放電により変化するのを検出するのが一般的である。しかし加速電圧は高電圧のため直接加速電圧の変化を検出するのは困難である。そのため2本の抵抗で構成される分圧抵抗２０を加速電圧電源３の出力とグランド間に接続し、加速電圧を１０ボルト程度に分圧する。不用放電によって加速電圧がドロップすると分圧電圧もドロップする。予め比較基準電圧源２２設定し基準電圧Ｖｒｅｆを決定しておき、分圧電圧が、その基準電圧Ｖｒｅｆよりもドロップした場合不用放電と判断し比較器２１は不要放電検出信号を出力する。比較器２１が不要放電と判定し、出力した信号を保護回路２３が受け加速電圧を下げたり加速電圧印加を中止したりする。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−２２７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
さて、図１に示すように、加速電圧とグランド間に２本の抵抗を直列接続して構成した分圧抵抗２０が加速電圧とグランド間に接続されている。
【００１３】
電子線発生装置の場合、電子線を加速するには加速電圧電源３はマイナスの電圧を出力する。そのため、分圧器２０にはグランドから加速電圧電源３に向かって電流が流れる。加速電圧電源３は高電圧電源であり、負荷電流を多く取れる様にするには、電源が大型になるだけでなく非常にコストもかかる。そのため、なるべく電流を分圧器２０に流さないようにするために分圧器に数百ＭΩなどの大きな抵抗値のものを用いる。
【００１４】
しかし、分圧抵抗２０に流す電流を減らすと比較器２１の入力端子に流れ込む電流も無視できなくなる。そのため、抵抗による分圧比だけで加速電圧の分圧電圧が得られなくなり、正確に不用放電を判定できなくなる。
【００１５】
更に、加速電圧を変えて使用すると分圧器の電圧も変化するため、比較器２１判定基準となる比較基準電圧源２２を設定しなおし基準電圧Ｖｒｅｆを加速電圧に合わせその都度変更する必要があった。
【００１６】
その他にも、分圧抵抗２０が放電しても同じ不要放電であるので、分圧抵抗２０が不要放電を起さないように絶縁油中に入れる、もしくはシリコン等で固体モールドするなどの放電防止策が必要である。それにより小型化できないだけでなくコストも上がる。
【００１７】
また、図２に１つの加速電圧電源３で複数の荷電粒子源１２，１２ｂを使う場合の例を示す。この場合どの電子銃７，７ｂのどちらで不要放電が発生しても加速電圧は変動するため、不要放電を起した電子銃の断定はできなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
荷電粒子源と、該荷電粒子源に加速電圧を印加する加速電圧源と、コアにギャップを有し前記加速電圧源と荷電粒子源間に1次側巻き線が接続されたトランスと、該トランスの２次側巻き線に流れる電流又は発生する電圧に基づいて１次側巻き線に流れる電流を検出する１次電流検出回路と、該１次電流検出回路の出力に基づいて放電を検出する放電検出回路を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、荷電粒子源の異常放電を正確に検出可能な荷電粒子線装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施するための最良の形態を説明する。図３に本発明による荷電粒子線装置の一概略例を示す。また、図１で使用した記号と同一の記号としたものは同一構成要素である。
【００２１】
フィラメント１、フィラメント電源２、加速電圧電源３、試料５０、電子線５、真空チャンバ６、絶縁碍子７、ウエネルト８、ウエネルト電源４、カソード１０、ウエネルト穴９、カソード穴１１は従来技術と同様である。３０はカレントトランスである。カレントトランス３０はギャップＧがあるコアＣに１次側巻き線Ｎ１と２次側巻き線Ｎ２を巻いた構造になっている。カレントトランス３０の1次側には加速電圧電源３とフィラメント１間のケーブルが巻かれ、２次側巻き線の両端には検出抵抗３１が取り付けられている。検出抵抗３１の片側はグランドに接続され、逆端は比較器２１に接続されている。比較器２１は比較基準電圧源２２の出力である基準電圧Ｖｒｅｆと検出抵抗３１の電圧を比較するために接続されている。
【００２２】
このような装置において従来技術と同様にフィラメント１に電流を流して加熱し、加速電圧をフィラメント１に印加して電子線５を試料５０に照射させる。
【００２３】
電子線５を試料５０に照射中に加速電圧とグランド間で不要放電が起こるとグランドから加速電圧電源３に放電電流が流れる。カレントトランス３０の1次側巻き線Ｎ１をフィラメント１と加速電源３間に接続する。すると、放電電流はグランドからカレントトランス３０の1次側巻き線Ｎ１を経由して加速電源３０に流れる。そしてカレントトランス３０の２次側巻き線Ｎ２には1次側巻き線に流れる一次電流に比例した電流が発生する。カレントトランス３０の２次側巻き線の両端に検出抵抗３１を接続しておくと、検出抵抗３１に２次側巻き線発生した電流が流れ、検出抵抗３１の両端は電圧降下により電圧Ｖｓが発生する。検出抵抗３１の両端の電圧は不要放電が無ければ０Ｖであり、放電が起これば電圧Ｖｓをする発生するため１次電流検出回路として動作する。これにより検出抵抗３１の両端に発生する電圧Ｖｓを観測すれば不要放電を検出できる。
【００２４】
検出抵抗３１の両端に発生した電圧Ｖｓは比較器２１に入力され、比較基準電圧源２２の出力である基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。そして比較器２１が不要放電と判定した場合は比較器２１から不要放電検出信号を出力する。比較器２１が出力した不要放電検出信号は保護回路２３に入力され、不要放電検出信号を受けた保護回路２３は加速電圧を下げ加速電圧印加を中止する。
【００２５】
しかし、微少な放電では装置の保護回路を動作は行わず、大放電時のみ保護を行いたい場合も多い。その場合は比較器２１に接続されている比較基準電圧源２２の設定を変え基準電圧Ｖｒｅｆをあげ、放電電流の大きい放電のみを検出すればよい。
【００２６】
さて、図４にカレントトランス３０を示す。カレントトランス３０はフェライトなどの強磁性体のコアに１次側巻き線Ｎ１と２次側巻き線Ｎ２を巻いて作られている。
【００２７】
図５にカレントトランス３０の外部磁束(１次巻き線Ｎ１により発生する磁束)に対するコアＣの磁束密度のグラフを示す。
【００２８】
カレントトランス３１の１次側巻き線Ｎ１に電流Ｉを流し、強磁性体でできたコアＣに1次巻き線Ｎ１から磁界を加えて行く。外部磁界Ｈがゼロの場合は磁束密度Ｂもゼロであり、外部磁界Ｈの強さを増やしていくと比例してコアＣの磁束密度Ｂも増え飽和磁束密度Ｂｍに達すると外部磁界の強さＨをそれ以上げても磁束密度Ｂは増えない。これはコアＣが飽和したからである。
【００２９】
カレントトランス３１の1次側巻き線Ｎ１から２次側巻き線Ｎ２へのエネルギーの伝達は、1次側巻き線Ｎ１によって発生した磁界がコアＣの磁束密度Ｂを変化させ、その磁束密度Ｂの変化によって２次側巻き線Ｎ２に電流を発生させる。コアＣが飽和した場合、磁束密度Ｂの変化は無くなるため２次側巻き線Ｎ２にエネルギー伝達はされなくなってしまう。
【００３０】
コアＣに加える磁界の強さは１次側のターン数と流す電流によって決まる。加速電圧の放電は、高電圧である加速電源３をグランドに短絡した事とほぼ等しく、その放電電流は大変大きい。１次側巻き線のターン数を減らしても放電電流が大きくコアが飽和してしまう場合がある。コアを飽和させないためにはコアの断面積を増やす、もしくはコアの透磁率を低くする事が必要となる。
【００３１】
コアの断面積を増やし飽和を避けた場合は、コア自体を大きくすることになりカレントトランス３０が大型になり現実的ではない。また、コアの透磁率を変えるにはコアの材質を変えればよいが最適な透磁率の材質を選択するのは困難である。
【００３２】
そこで、カレントトランス３０のコアにギャップを設ける。図４（ｂ）にカレントトランス３０のコアＣにギャップＧを設けた状態を示す。
【００３３】
図５に戻り、カレントトランス３０のコアにギャップがある場合の外部磁束に対する磁束密度の変化を説明する。
【００３４】
外部磁界Ｈがゼロの場合は磁束密度Ｂもゼロであり、外部磁界Ｈの強さを増やしていくと比例して磁束密度Ｂも増える。そして、飽和磁束密度Ｂｍに達すると外部磁界の強さＨをそれ以上げても磁束密度Ｂは増えない。しかし、コアギャップ無しの場合は外部磁界の強さがＡ点で飽和磁束密度Ｂｍに達するのに対し、コアギャップがある場合は外部磁界の強さがＡ点より大きいＢ点で飽和する。ここで、コアのギャップＧを大きくする（広げる）と飽和磁束密度Ｂｍに達する外部磁界の強さはより大きくなり、コアのギャップＧを小さくする（狭める）と飽和磁束密度Ｂｍに達する外部磁界の強さはＡ点に近づく。これは、カレントトランス３１のコアＣの透磁率を変えた事と同じである。さらにカレントトランス３１のコアＣのギャップを調整する事により最適な透磁率を得る事ができる。
【００３５】
このようにコアＣの透磁率を最適にしたため、カレントトランス３１のコアＣを小型化してもカレントトランス３１のコアＣは飽和せずに正確に放電検出ができる。
【００３６】
また、加速電圧の変化を検出しているのではなく、放電電流を検出しているため加速電圧を変化させても比較器２１が参照する比較基準電圧Ｖｒｅｆを比較基準電源２２で設定しなおす必要が無くなる。
【００３７】
その他にも高圧部分は加速電源３とフィラメント１間の絶縁ケーブルをコアに巻く(１ターンの場合はコアに通す)だけのため、検出抵抗３１やカレントトランス３０を絶縁油中に浸す、もしくは固体モールド等の特別な絶縁は必要が無い。
【００３８】
次に図６に１個の加速電圧電源３を複数の電子銃に接続し使用する場合の例を示す。図３の構成で構成する電子線照射装置を、加速電圧電源３以外全て２式構成している。これにより高価な加速電圧電源３を２つの荷電粒子銃で共用してコストを抑えている。
【００３９】
ここで、第一電子銃１２で不要放電があった場合の放電電流はカレントトランス３０だけに流れ、カレントトランス３０ｂには流れない。また、第二電子銃１２ｂに不要放電があった場合はカレントトランス３０ｂにだけ放電電流が流れ、カレントトランス３０には放電電流が流れない。よって加速電圧電源を複数の電子銃に繋いで使えばどの電子銃で不要放電があったか認識する事ができる。
【００４０】
尚、不要放電を検出して保護回路２３を動作させ加速電圧を下げ加速電圧印加を中止して保護する場合について説明したが、比較回路２１の出力にレコーダーを接続し、不要放電の頻度をモニタし、荷電粒子銃のメンテナンスの目安にしても良い。
【００４１】
尚、前記最良の形態は電子線照射装置に実施した場合について説明したが、イオン発生装置にも実施可能なことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の電子線照射装置の放電検出器の概略を示す。
【図２】従来の加速電圧電源を複数の電子線照射装置で使用した場合の概略を示す。
【図３】本発明の電子線照射装置の放電検出器の概略を示す。
【図４】カレントトランスの概略を示す。
【図５】外部磁界の強さと磁束密度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の加速電圧電源を複数の電子線照射装置で使用した場合の概略を示す。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ｂ…フィラメント、２，２ｂ…フィラメント電源、３，…加速電圧電源、４，４ｂ…ウエネルト電源、５，５ｂ…電子線、６，６ｂ…真空チャンバ、７，７ｂ…絶縁碍子、８，８ｂ…ウエネルト、９，９ｂ…ウエネルトの穴、１０，１０ｂ…カソード、１１，１１ｂ…カソードの穴、１２，１２ｂ…電子銃、２０…分圧抵抗、２１，２１ｂ…比較器、２２，２２ｂ…比較基準電圧源、２３…保護回路、３０，３０ｂ…カレントトランス、Ｎ１…カレントトランスの1次側巻き線、Ｎ２…カレントトランスの２次側巻き線、Ｃ…カレントトランスのコア、Ｇ…カレントトランスのコアのギャップ、検出電圧…Ｖｓ，Ｖｓ２、基準電圧…Ｖｒｅｆ，Ｖｒｅｆ２
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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