(57)【要約】【課題】  装置の大型化を回避しながら、高電圧発生部と密閉容器との間の耐電圧の確保を図ることができ、更には、加速部構造の簡素化をも図ることができる高電圧発生回路の絶縁方法及び荷電粒子加速器を提供する。【解決手段】  高電圧発生部２０，２１と、荷電粒子を加速する加速部１９Ａ，１９Ｂとが、それぞれ密閉容器１８の内部空間に配置されており、加速部１９Ａ，１９Ｂが高電圧発生部２０，２１と密閉容器１８の内壁との間に配置された荷電粒子加速器３０に用いられ、密閉容器１８の内部空間を、荷電粒子が通る加速部１９Ａ，１９Ｂの内部と同一の真空度に維持して、高電圧発生部２０，２１と密閉容器１８との間を電気的に絶縁する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧発生部と、荷電粒子を加速する加速部とが、それぞれ密閉容器の内部空間に配置されており、前記加速部が前記高電圧発生部と前記密閉容器の内壁との間に配置された荷電粒子加速器に用いられ、
前記密閉容器の内部空間を、前記荷電粒子が通る加速部の内部と同一の真空度に維持して、前記高電圧発生部と前記密閉容器との間を電気的に絶縁することを特徴とする高電圧発生回路の絶縁方法。
【請求項２】
前記加速部を、その内部が前記密閉容器の内部空間と連通するように、前記荷電粒子が通過する内孔を備えた複数の環状の加速電極を各々抵抗を介して直線的に整列配置させて形成する請求項１に記載の高電圧発生回路の絶縁方法。
【請求項３】
前記密閉容器の内部空間の真空度を検出する検出手段の出力に基づいて、前記内部空間の真空度が所定以下となったときに前記高電圧発生部の電圧を低下させる請求項１に記載の高電圧発生回路の絶縁方法。
【請求項４】
高電圧発生部と、荷電粒子を加速する加速部とが、それぞれ密閉容器の内部空間に配置された荷電粒子加速器において、
前記密閉容器の内部空間を真空排気する真空排気手段を備えたことを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項５】
前記密閉容器の内部空間は、前記荷電粒子が通る加速部の内部と同一の真空度に維持されている請求項４に記載の荷電粒子加速器。
【請求項６】
前記加速部は、前記高電圧発生部と前記密閉容器の内壁との間に各々抵抗を介して直線的に整列配置され前記荷電粒子が通過する内孔を備えた複数の環状の加速電極を含んでなり、これら複数の加速電極間の領域は、前記密閉容器の内部空間と連通している請求項５に記載の荷電粒子加速器。
【請求項７】
互いに隣接する前記加速電極の間は、複数本の支柱を介して支持されている請求項６に記載の荷電粒子加速器。
【請求項８】
前記密閉容器の内部空間の真空度を検出する検出手段と、この検出手段の出力に基づいて前記内部空間の真空度が所定以下となったときに前記高電圧発生部の電圧を低下させる制御手段とを備えた請求項４に記載の荷電粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばイオン注入装置、電子顕微鏡等に用いられるイオン加速器、電子加速器等における高電圧発生回路の絶縁方法及び荷電粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、イオンや電子を所望のエネルギーに加速するための荷電粒子加速器は、イオン注入装置や電子顕微鏡等の分野において広く適用されている。図４は、下記特許文献１に記載されている従来の荷電粒子加速器の断面構造を示している。
【０００３】
図４において、従来の荷電粒子加速器１は、電子線を加速する多段加速管２と、この多段加速管２の最上部に搭載された電子銃３とを備えている。コッククロフト・ウォルトン型回路を含む高電圧発生部４は多段加速管２と平行に配置されており、多段加速管２に対して電子線の加速電圧を供給する。多段加速管２、電子銃３及び高電圧発生部４は、それぞれ密閉容器５の内部に収容されている。密閉容器５の内部には絶縁性ガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ6）ガス６が充填されており、高電圧発生部４と密閉容器５との間を電気的に絶縁している。
【０００４】
上述のように、従来の荷電粒子加速器１においては、高電圧発生部４と密閉容器５との間の電気的絶縁を図るために、密閉容器５の内部に絶縁性ガスとしてＳＦ6ガスを充填している。
【０００５】
しかしながら、絶縁性ガスとしてＳＦ6ガスを用いることは高コストであるだけでなく、環境負荷の点で問題がある。また、機器のメンテナンスの際、充填したＳＦ6ガスを回収するためのリザーバタンクを別途必要とする等、メンテナンス性が悪いという問題もある。
【０００６】
これに対して、環境中の空気（大気圧）が絶縁性を有することは従来より広く知られており、実際に空気を絶縁性ガスとして利用した荷電粒子加速器も存在する（下記特許文献２参照）。この場合、コスト的、環境的にも非常に優れ、メンテナンス作業性も非常に高いという利点がある。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２６２９６０号公報
【特許文献２】特開平６−７６９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、大気圧空気で高電圧発生部と密閉容器との間の絶縁を図る従来の荷電粒子加速器においては、所望の耐電圧を得るためにこれら高電圧発生部と密閉容器との間に大きな離間距離をとらなければならないという問題がある。これにより密閉容器が大型化し、装置の小型化が図れなくなる。
【０００９】
一方、従来の荷電粒子加速器においては、密閉容器の内部に図５に示すような構造の加速管が設置される。これは、荷電粒子が通過する内孔７ａを備えた複数の環状の加速電極７が各々抵抗８を介して等ピッチで整列配置され、各加速電極７の間が絶縁性の管状部材９で気密接続された構造となっている。このように構成される加速管は、荷電粒子を通過させるために内部が所定の真空度に排気されており、当該真空度を維持するために、加速電極７と管状部材９との接続部を接着剤Ｍで真空封止して内外の連通を遮断する密閉構造がとられている。
【００１０】
従って、従来の荷電粒子加速器においては、荷電粒子を加速させるための加速管に所定の真空度を維持できる程度の気密性と、加速管単独の真空排気系とが要求され、更に、加速管内外の圧力差による破損を阻止できる強度と耐久性が必要とされるために、装置構造の複雑化、高コスト化を招いているという問題がある。
【００１１】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、装置の大型化を回避しながら、高電圧発生部と密閉容器との間の耐電圧の向上を図ることができ、更には、加速部構造の簡素化をも図ることができる高電圧発生回路の絶縁方法及び荷電粒子加速器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の課題を解決するに当たり、本発明は、高電圧発生部と、荷電粒子を加速する加速部とが、それぞれ密閉容器の内部空間に配置されており、前記加速部が前記高電圧発生部と前記密閉容器の内壁との間に配置された荷電粒子加速器に用いられ、前記密閉容器の内部空間を、前記荷電粒子が通る加速部の内部と同一の真空度に維持して、前記高電圧発生部と前記密閉容器との間を電気的に絶縁することを特徴とする。
【００１３】
すなわち本発明では、密閉容器の内部空間を真空排気手段により真空排気し所定の真空度に維持して高電圧発生部と密閉容器との間を電気的に絶縁するようにしている。この構成により、大気圧の空気を絶縁性ガスとして用いる従来の荷電粒子加速器に比べて、高電圧発生部と密閉容器との間の離間距離を小さく設定して密閉容器の小型化及び装置占有面積の省スペース化を図ることが可能となる。
【００１４】
上記所定の真空度としては、放電開始電圧に関するパッシェンの法則（Paschen's Law）（図２参照）に基づいて決定できる。例えば、荷電粒子加速器として１０００ｋＶ級の高電圧発生部を用いる場合、密閉容器の内部空間の圧力を１０-3Ｐａ以下（かつ高電圧発生部と密閉容器との間の離間距離を２００ｍｍ以上）とすることにより、これら高電圧発生部と密閉容器との間の電気的絶縁を図ることができる。
【００１５】
また、密閉容器の内部空間圧力を１０-3Ｐａ以下、より好ましくは１０-4Ｐａ以下に維持した場合、当該密閉容器内は荷電粒子の加速雰囲気と同等の真空度になるので、荷電粒子の加速部として従来より用いられている気密性の「加速管」構造を廃止できる。
【００１６】
すなわち、上記密閉容器の内壁と高電圧発生部との間に、荷電粒子が通過する内孔を備えた複数の環状の加速電極を各々抵抗を介して直線的に整列配置させるだけで、荷電粒子の加速部を形成することができる。これにより、加速部単独の真空排気系の設置は不要となり、また、加速部のための密閉管構造も不要となるので、荷電粒子加速器の構成の簡素化と低コスト化を図ることができるようになる。
【００１７】
なお、密閉容器の内部空間の真空度を検出する検出手段を設けておき、この検出手段の出力に基づいて当該内部空間の真空度が所定以下となったときに、高電圧発生部の電圧を低下させる手段を講じるのが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明によれば、密閉容器の内部空間を真空排気手段により真空排気し所定の真空度に維持して高電圧発生部と密閉容器との間を電気的に絶縁するようにしているので、大気圧の空気を絶縁性ガスとして用いる従来の荷電粒子加速器に比べて、高電圧発生部と密閉容器との間の耐電圧を向上させながら、これらの間の離間距離を小さく設定して密閉容器の小型化及び装置占有面積の省スペース化を図ることが可能となる。
【００１９】
また、上記密閉容器の内部空間を荷電粒子の加速雰囲気と同等の真空度に維持することにより、加速部単独の真空排気系の設置は不要となり、また、加速部のための密閉管構造も不要となるので、荷電粒子加速器の構成の簡素化と低コスト化を図ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、イオン注入装置に本発明の高電圧発生回路の絶縁方法及び荷電粒子加速器を適用した例について説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態によるイオン注入装置１０の概略構成図である。先ず、このイオン注入装置１０の構成及び動作について説明する。
【００２２】
本実施の形態のイオン注入装置１０は、負イオン源１１、アインツエルレンズ１２、質量分離電磁石１３、スリット１４、ビーム経路上に移動自在なファラデーカップ１５、静電ステアラ１６及び四重極静電型レンズ１７を備えている。これら一連のユニットは、図示しない真空配管で接続されており、特に負イオン源１１、質量分離電磁石１３及び四重極静電型レンズ１７には真空排気ポンプが取り付けられている。
【００２３】
荷電粒子加速器３０は、イオンを加速するグランド側加速部１９Ａ及び高電圧側加速部１９Ｂと、高電圧発生装置２１と、これら加速部１９Ａ，１９Ｂ及び高電圧発生装置２１をそれぞれ収納する密閉容器１８とを備えている。グランド側加速部１９Ａの最前端、高電圧側加速部１９Ｂの最後端、及び密閉容器１８は、それぞれグランド電位に接続されている。
【００２４】
２つの加速部１９Ａ，１９Ｂの間には高電圧ターミナル２０が取り付けられている。これにより、荷電粒子加速器３０は、導入されたイオンをこれら２段の加速部１９Ａ，１９Ｂで加速するタンデム型イオン加速器として機能する。
【００２５】
高電圧ターミナル２０の内部には、イオンビームが通過するストリッパカナル２０１が設けられている。ストリッパカナル２０１の内部には、導入されたイオンとの衝突により負イオンを正イオンへチャージ変換する窒素ガスあるいはアルゴンガスが供給される。
【００２６】
高電圧ターミナル２０には、高電圧発生装置２１が接続されている。高電圧発生装置２１としては、シェンケル型回路（並列昇圧）やコッククロフト・ウォルトン型回路（直列昇圧）等の回路構成が適用可能である。これら高電圧ターミナル２０と高電圧発生装置２１とにより、本発明の「高電圧発生部」あるいは「高電圧発生回路」が構成される。
【００２７】
なお、２２は、高電圧発生装置２１へ電力を供給する電力供給源である。この電力供給源２２は、昇圧トランスと発振器等を含んでなり、コントローラ２８によって、高電圧発生装置２１に対する電力供給制御が行われるようになっている。これら電力供給源２２及びコントローラ２８により、本発明の「制御手段」が構成される。
【００２８】
荷電粒子加速器３０の後段側には、四重極静電型レンズ２４と、偏向電磁石２５と、ビーム経路上に移動可能なファラデーカップ２６とが設けられている。これら四重極静電型レンズ２４、偏向電磁石２５及びファラデーカップ２６でなる一連のユニットは真空配管で接続され、四重極静電型レンズ２４に取り付けられた真空排気ポンプで配管内が所定圧に排気されている。
【００２９】
さて、荷電粒子加速器３０を構成する密閉容器１８と、高電圧ターミナル２０及び高電圧発生装置２１との間は、一定以上の耐電圧をもって絶縁される必要がある。そこで、本実施の形態では、密閉容器１８に排気管を介して真空ポンプ２３を接続し、密閉容器１８の内部空間を所定の真空度に真空排気して、これら密閉容器１８と高電圧発生部２０，２１との間の電気的絶縁を図るようにしている。
【００３０】
密閉容器１８と高電圧発生部２０，２１との間の耐電圧（放電電圧）は、図２のパッシェンの法則に示すように、密閉容器１８の内部空間の真空度、密閉容器１８の内壁面と高電圧発生部２０，２１との間の最小離間距離によって決まる。すなわち、密閉容器１８の内部空間の真空度が大きい（圧力が小さい）場合には、電極間距離（密閉容器１８の内壁面と高電圧発生部２０，２１との間の離間距離）が小さくても、高い放電開始電圧が得られることになる。
【００３１】
本実施の形態では、密閉容器１８と高電圧発生部２０，２１との間の電気的絶縁を図るために、高電圧発生部２０，２１における発生電圧が例えば１０００ｋＶである場合、密閉容器１８の内部空間の圧力を１０-4Ｐａ以下、密閉容器１８の内壁面と高電圧発生部２０，２１との間の最小離間距離を２００ｍｍとしている。この場合、密閉容器１８内の耐圧電場は５ｋＶ／ｍｍであり、上記最小離間距離を５００ｍｍとした場合の耐圧電場は２ｋＶ／ｍｍである。
【００３２】
また、本実施の形態では、密閉容器１８の内部空間の真空度を検出する検出手段として例えば電離真空計２７等の真空度計測手段を設置し、この電離真空計の出力をコントローラ２８に供給するようにしている。コントローラ２８は、密閉容器１８の内部空間の真空度を常に監視し、稼働中に何らかの理由で真空度が低下し、それが所定以下となったとき（内部空間の圧力が所定以上となっととき）、電力供給源２２を介して高電圧発生部２０，２１の電圧を低下させる。これにより、密閉容器内部の信頼性の高い電気的絶縁を確保することができる。
【００３３】
一方、密閉容器１８内の圧力が１０-4Ｐａ（１０-6Ｔｏｒｒ）以下である場合、密閉容器１８の内部空間は、加速部１９Ａ，１９Ｂにおけるイオンの加速雰囲気と同等の真空度になる。このため本実施の形態によれば、加速部１９Ａ，１９Ｂにおけるイオンの加速雰囲気と密閉容器の内部雰囲気とを共通にでき、図３Ａ，Ｂに示すように、加速部１９Ａ，１９Ｂの構成を簡素化できるようになる。
【００３４】
加速部１９Ａ，１９Ｂは、図３Ａ，Ｂに示すように、イオンが通過する内孔３１ａを備えた複数の環状の加速電極３１を各々抵抗３２を介して等ピッチで整列配置されている。そして、これら加速電極３１の間は、複数本の支持柱３５で各々支持されている。このような構成の各加速部１９Ａ，１９Ｂはそれぞれ、図１に示したように、高電圧ターミナル２０と密閉容器１８の内壁との間に直線的に設けられている。
【００３５】
なお、支持柱３５は、アルミナ等の絶縁性材料でなり、加速電極３１の所定部位に接着等により固定されている。また、抵抗３２は、高電圧ターミナル２０の高電圧を各加速電極３１間で分圧するために設けられ、これにより、内孔３１ａを通過するイオンは段階的に加速電圧が印加される。
【００３６】
このように、イオン加速領域の内外の連通を許容できる簡素な構造で加速部１９Ａ，１９Ｂを構成することができるので、従来必要とされていたイオン加速領域の気密構造、耐圧構造が不要となり、また加速部専用の真空排気系の設置も不要となる。
【００３７】
従って本実施の形態によれば、密閉容器１８に真空ポンプ２３を接続し、当該密閉容器１８を所定の真空度を維持する真空タンクとして機能させることにより、高電圧発生部２０，２１と密閉容器１８との間の電気的絶縁を確保できると同時に、イオンの加速部１９Ａ，１９Ｂの構成を簡素化でき、装置の小型化、低コスト化が実現可能となる。
【００３８】
以上のような構成のイオン注入装置１０は、負イオン源１１において金属あるいはガス種の負イオンを発生させて、これを例えば約２０〜３０ｋＶで引き出し、アインツエルレンズ１２で収束した後、質量分離電磁石１３に入射させる。質量分離電磁石１３に入射した負イオンは、約９０°偏向されて所定の質量のイオンに分離される。分離された負イオンは、スリット１４、静電ステアラ１６及び四重極静電型レンズ１７を通過し、荷電粒子加速器３０に入射する。
【００３９】
荷電粒子加速器３０においては、電力供給源２２から高電圧発生装置２１へ電力が供給され、高電圧発生装置２１は、高電圧ターミナル２０で例えば１０００ｋＶの高電圧を発生させる。四重極静電型レンズ１７を通過し、前段側の加速部１９Ａに入射した負イオンは、高電圧発生装置２１により１０００ｋＶの電圧に昇圧されている高電圧ターミナル２０によって、最大１０００ｋｅＶにまで加速される。このエネルギーを持った負イオンは、ストリッパカナル２０１内に導入され、このストリッパカナル２０１内に予め供給された窒素ガス（あるいはアルゴンガス）分子と衝突する。窒素分子と衝突した負イオンは、電子が剥ぎ取られて正イオンにチャージ変換される。例えば、１価の正イオンに変換されると、ストリッパカナル２０１を通過した当該１価の正イオンは、後段側の加速部１９Ｂにおいて、１０００ｋＶの加速電圧を受けて１０００ｋｅＶの加速エネルギーを得る。従って、一対の加速部１９Ａ，１９Ｂを通過したイオンは最大、１０００ｋｅＶ＋１０００ｋｅＶ＝２０００ｋｅＶのエネルギーを得てグランド電位に達する。
【００４０】
その後、イオンは、四重極静電型レンズ２４を通過し、偏向電磁石２５で偏向されて、ファラデーカップ２６に達する。ファラデーカップ２６の後方には、図示せずともプラテンあるいはイオン照射ステージが設けられており、そこに取り付けられた被照射基材に対して２０００ｋｅＶのエネルギーに達したイオンの照射処理がなされる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４２】
例えば以上の実施の形態では、荷電粒子加速器３０の構成として、密閉容器１８に収容される加速部をグランド側加速部１９Ａと高電圧側加速部１９Ｂとでなるタンデム型とした例について説明したが、これに限らず、高電圧側からグランド側へ加速する単一構造の加速部で荷電粒子加速器を構成する例についても、本発明は適用可能である。
【００４３】
また、以上の実施の形態では、荷電粒子加速器としてイオン注入装置におけるイオン加速装置を例に挙げて説明したが、これ以外にも、例えば、電子顕微鏡等の電子加速装置にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態による荷電粒子加速器が適用されたイオン注入装置の概略構成図である。
【図２】放電開始電圧に関するパッシェンの法則を示す図である。
【図３】本発明のイオン加速部の構造を説明する図であり、Ａはイオン加速方向から見た断面図、Ｂはその側断面図である。
【図４】従来の荷電粒子加速器の構成を示す概略図である。
【図５】従来のイオン加速部の構造を説明する図であり、Ａはイオン加速方向から見た断面図、Ｂはその側断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  イオン注入装置
１８  密閉容器
１９Ａ，１９Ｂ  加速部
２０  高電圧ターミナル
２１  高電圧発生装置
２２  電力供給源
２３  真空ポンプ（真空排気手段）
２７  真空計（検出手段）
２８  コントローラ（制御手段）
３０  荷電粒子加速器
３１  加速電極
３２  抵抗
３５  支持柱
【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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