(57)【要約】【課題】加速電圧に含まれるリップルを小さくする。【解決手段】  位相制御手段１４からの位相制御信号により三相交流電源からの各相電圧の大きさをそれぞれ制御する制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、各制御素子を介した相電圧を直流電圧に変換して負荷に印加する交流直流変換回路１５、交流直流変換回路１５の出力を検出する検出回路１８、負荷に印加する電圧を設定する加速電圧設定回路１９、各相電圧間の各相間電圧を直流電圧に変換する相間電圧検出回路２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ、基準相間電圧設定回路３４、基準相間電圧と相間電圧検出回路２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃからの電圧と検出回路１８からの出力と加速電圧設定回路１９の出力とに基づいて位相制御手段１４を制御する信号を出力する制御手段を備えた。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源、該三相交流電源よりの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する交流直流変換手段、位相制御手段からの位相制御信号に基づいて前記交流電力を制御するために前記三相交流電源と前記交流直流変換手段との間の各相に配置される制御素子、前記三相交流電源の各相間の各相間電圧を直流電圧に変換する相間電圧検出手段、基準相間電圧を設定するための基準相間電圧設定信号を発生する基準相間電圧設定手段、及び、前記基準相間電圧設定手段からの基準相間電圧設定信号と前記相間電圧検出手段からの相間電圧検出信号とに基づいて前記各相間電圧検出信号が前記基準相間電圧設定信号と一致するように前記位相制御手段を制御する制御手段を備えた電子ビーム装置用直流高圧電源。
【請求項２】
前記制御素子はサイリスタから成る請求項１記載の電子ビーム装置用直流高圧電源。
【請求項３】
前記交流直流変換手段の出力を検出する直流出力検出手段と、前記交流直流変換手段の出力電圧を設定するための直流出力設定信号を発生する直流出力設定手段とを更に備え、前記位相制御手段を制御する制御手段は、前記直流出力検出手段からの直流出力検出信号が、前記直流出力設定信号と一致するように、前記位相制御手段を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電子ビーム装置用直流高圧電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子ビーム装置用直流高圧電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子銃からの電子ビームを被ビーム照射物に照射する電子ビーム装置として、例えば、電子銃からの電子ビームを被加工物の任意の箇所に照射して被加工物を加工するように成した電子ビーム加工装置、電子銃からの電子ビームを坩堝に収容された蒸着材料に照射して該蒸着材料を蒸発させ、該蒸発粒子を基板上に膜状に付着させる様に成した電子蒸着ビーム装置、電子銃からの電子ビームを収束し、該収束された電子ビームで観察すべき試料上の任意の箇所を走査することによって該試料から発生した二次電子を検出し、該検出した二次電子信号に基づいて試料の二次電子像を得る様に成した走査型電子顕微鏡等がある。
【０００３】
これらの電子ビーム装置は直流高圧電源を備えており、該直流高圧電源からの直流高電圧により電子銃からの電子ビームを加速して被ビーム照射物に照射している。
【０００４】
図１は、直流高圧電源を備えた電子ビーム蒸着装置の一概略例を示している。
【０００５】
図中１は真空チャンバーで真空ポンプ２により真空排気される様に成っている。３は前記真空チャンバー１の上蓋に取り付けられた電子ビーム発生源で、フィラメント４，フィラメント加熱電源５，カソード６，及びアノード７を備えている。８は蒸着材料９を収容した坩堝、１０は基板、１１は直流高圧電源である。
【０００６】
この様な構成の電子ビーム蒸着装置において、フィラメント加熱電源５による通電によりフィラメント４が加熱される。この時、前記フィラメント４とカソード６との間には負の直流電圧が印加されており、前記フィラメント４から発生した熱電子は前記カソード６の表面を電子衝撃する。該電子衝撃により前記カソード６が加熱され、表面から熱電子を発生する。この時、前記カソード６とアノード７との間には直流高圧電源１１から直流高電圧が印加されているので、前記カソード６の表面から発生した熱電子は前記アノード７の方向に加速されて電子ビームを形成し、該電子ビームは坩堝８に収容された蒸着材料９を照射することになる。
【０００７】
該電子ビームの照射により前記蒸着材料９は高温に達して溶融し、蒸発する。蒸発した材料は基板１０の表面に到達して膜状に付着する。
【０００８】
図２は、前記直流高圧電源１１の一概略例を示している。
【０００９】
図中１２は商用の三相交流電源、１３Ａ,１３Ｂ,１３Ｃは位相制御回路１４からの位相制御信号によりオン状態になり点弧導通角（点弧位相角）が制御されることにより前記三相交流電源１２からの電力を制御するためにＲ相，Ｓ相，Ｔ相に配置される制御素子で、例えば、逆並列接続されたサイリスタから成る。
【００１０】
１５は交流直流変換回路で、前記制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを介して導通角が制御された交流電圧を適宜昇圧する昇圧変圧器１６、及び、該昇圧変圧器で昇圧された交流電圧を整流及び平滑する整流平滑回路１７から成る。
【００１１】
１８は分圧抵抗ＲａとＲｂから成り、前記整流平滑回路１７の直流出力電圧（負の電圧）(−Ｖa)を検出する検出回路である。
【００１２】
１９は所望の加速電圧を設定するための加速電圧設定信号Ｖ0を発生する加速電圧設定回路である。
【００１３】
２０は、前記検出回路１８、及び、前記加速電圧設定回路１９の各出力の和に対応した信号（Ｖ0−Ｖa）を求める増幅器である。
【００１４】
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは前記増幅器２０の出力信号（Ｖ0−Ｖa）に基づいて前記各制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの点弧位相角を制御するパルス信号を生成し、該パルス信号を前記位相制御回路１４に供給するパルス生成回路である。
【００１５】
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、該各パルス生成回路に内蔵され、三角波信号を生成するパルス調整回路で、可変抵抗とコンデンサを備えている。２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは摘みで、オペレータの操作により前記可変抵抗の抵抗値を変えて、前記パルス調整回路２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｂが生成する三角波信号の勾配を変えるものである。
【００１６】
この様な構成の直流高圧電源において、検出回路１８からは、交流直流変換回路１５から出力され、カソード６とアノード７の間に加速電圧として印加される電圧に対応した検出信号（−Ｖa）が得られる。該検出信号（−Ｖa）は、前記加速電圧設定回路１９で設定された加速電圧設定信号Ｖ0と共に増幅器２０に送られる。該増幅器２０はこれらの電圧の和に対応した信号（Ｖ0−Ｖa）を前記各パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに送る。
【００１７】
各パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、信号（Ｖ0−Ｖa）に基づきＶ0−Ｖaがゼロ、即ち、ＶaがＶ0に一致するように、各制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの点弧位相角を制御するパルス信号を発生し、該各制御素子へ送る。
【００１８】
このため、交流直流変換回路１５の出力電圧は、常に設定電圧Ｖ0に維持されることになる。
【００１９】
図３は、各パルス生成回路による制御を説明するための波形図であり、以下図３を用いて説明する。
【００２０】
各パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、前記増幅器２０からの信号（Ｖ0−Ｖa）に基づいて作成された電圧信号Ｖ１とパルス調整回路（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ）が生成する三角波信号が一致する時点でパルス信号を生成し、該パルス信号を位相制御回路１４に送る。
【００２１】
例えば、Ｒ相電圧の制御に関わるパルス生成回路２１Ａの動作について説明すると、前記パルス生成回路２１Ａは、前記増幅器２０からの電圧信号Ｖ１と三角波信号Ｗ１が一致する時点ｔ1,ｔ2,ｔ3,ｔ4，・・・に、順次、パルス信号（図３（ｂ）のＰ１,図３（ｃ）のＰ２,図３（ｂ）のＰ３,図３（ｃ）のＰ４）を発生する。この際、パルス信号Ｐ１,Ｐ３はＲ相電圧の波形の正極側を制御するもの、パルス信号Ｐ２,Ｐ４はＲ相電圧の波形の負極側を制御するものである。尚、Ｓ相電圧の制御に関わるパルス生成回路２１Ｂ及びＴ相電圧の制御に関わるパルス生成回路２１Ｃも同様な動作をするので、説明を省略する。
【００２２】
この様にして前記各パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで生成されたパルス信号は位相制御回路１４に送られる。
【００２３】
該位相制御回路は、送られてきたパルス信号に基づいた位相制御信号を作成して、制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに送る。
【００２４】
該各制御素子は送られて来た位相制御信号に基づいて点弧位相角を制御して交流電源１２からの相電圧の波形を制御する。
【００２５】
例えば、Ｒ相電圧を制御する制御素子１３Ａの動作について説明すると、該制御素子１３Ａは、前記位相制御回路１４から送られて来たパルス信号Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３,Ｐ４，・・・に基づく位相制御信号により、点弧位相角がαに制御される。その結果、前記交流電源１２からのＲ相電圧（図３（ｄ））は、波形が図３（e）に示すように制御されて、交流直流変換回路１５に送られる。
【００２６】
尚、Ｓ相電圧を制御する制御素子１３Ｂ、及び、Ｔ相電圧を制御する制御素子１３Ｃも同様な動作をするので、説明は省略する。
【００２７】
この様にして電圧波形が制御された各相電圧は交流直流変換回路１５の昇圧変圧器１６に送られ、ここで昇圧される。そして、整流平滑回路１７により整流平滑されて直流に変換され、電子ビーム発生源３のカソード６とアノード７の間に印加される。この結果、先に述べたように、前記電子ビーム発生源３のカソード６とアノード７の間に常に所定の加速電圧（前記設定加速電圧Ｖ0に対応）が印加されることになる。
【００２８】
【特許文献１】特開２０００−３０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
ところで、前記交流直流変換回路１５において交流から変換された直流にリップルが重畳され、前記カソード６とアノード７との間に印加される加速電圧にもリップル成分が含まれてしまう。その結果、該カソードとアノードとの間に所定の加速電圧を印加するための前記電圧制御操作に支障を来す。
【００３０】
そこで、前記カソード６とアノード７の間にモニター（例えば、オシロスコープ）を取り付け、オペレータは、該カソードとアノードの間に印加される電圧波形を該モニターで観察しながら、該電圧波形に重畳しているリップルが小さくなる様に前記各摘み（２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ）を操作して三角波信号の勾配を変える様にしている。即ち、この様に勾配を変えることにより、該勾配が変わった三角波信号（例えば、図３の（a）の破線Ｗ２）と前記増幅器２１からの電圧信号Ｖ１とが一致する時点が変わり、これにより適切なパルス信号が生成され、結果的に前記カソード６とアノード７との間に印加される加速電圧に重畳しているリップルを小さくすることが出来る。
【００３１】
しかし、この調整はオペレータによる手動操作によるものなので、該調整に個人差が現れ、結果的に、設定加速電圧を安定に供給することが難しい。又、この様な調整はオペレータにとって厄介な操作である。
【００３２】
本発明は、このような問題点を解決するためになされた新規な電子線照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の電子ビーム装置用直流高圧電源は、三相交流電源、該三相交流電源よりの交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する交流直流変換手段、位相制御手段からの位相制御信号に基づいて前記交流電力を制御するために前記三相交流電源と前記交流直流変換手段との間の各相に配置される制御素子、前記三相交流電源の各相間の各相間電圧を直流電圧に変換する相間電圧検出手段、基準相間電圧を設定するための基準相間電圧設定信号を発生する基準相間電圧設定手段、及び、前記基準相間電圧設定手段からの基準相間電圧設定信号と前記相間電圧検出手段からの相間電圧検出信号とに基づいて前記各相間電圧検出信号が前記基準相間電圧設定信号と一致するように前記位相制御手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、オペレータを煩わせることなく自動的に電子ビーム装置の負荷に印加される加速電圧に重畳するリップルを小さくすることが出来るので、常に安定した設定電圧を負荷に印加することが出来、且つ、オペレータにとって厄介な調整作業を無くすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図４は、本発明の電子ビーム装置の一つである電子ビーム蒸着装置の主要部を成す直流高圧電源の一概略例を示したものである。尚、図中、図２で使用した記号と同一記号が付されたものは同一構成要素であり、説明は省略する。
【００３６】
図中２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃは、それぞれ、降圧変圧器３０Ａと整流平滑回路３１Ａ，降圧変圧器３０Ｂと整流平滑回路３１Ｂ，降圧変圧器３０Ａと整流平滑回路３１Ａから成る相間電圧検出回路で、相間電圧検出回路２９Ａは三相交流電源１２からのＲ相電圧とＳ相電圧の相間電圧を、相間電圧検出回路２９Ｂは三相交流電源１２からのＳ相電圧とＴ相電圧の相間電圧を、相間電圧検出回路２９Ｃは三相交流電源１２からのＴ相電圧とＲ相電圧の相間電圧を、それぞれ相間電圧の大きさに応じた直流出力信号に変換するものである。
【００３７】
３２は増幅器２０の出力信号の極性を反転する増幅器である。
【００３８】
３３は該増幅器３２の出力部に設けられたスイッチング回路で、端子Ｔａ，該端子に取り付けられたスイッチＳＷ，及び，端子Ｔｂとから成り、制御装置（図示せず）からの指令に基づいて前記スイッチＳ２による前記端子Ｔａ，Ｔｂ間のスイッチングを行うものである。
【００３９】
３４は、制御素子１３Ａを介した相電圧と制御素子１３Ｂを介した相電圧との相間電圧、制御素子１３Ｂを介した相電圧と制御素子１３Ｃを介した相電圧との相間電圧、及び、制御素子１３Ｃを介した相電圧と制御素子１３Ａを介した相電圧との相間電圧に共通した基準相間電圧を設定する基準相間電圧設定回路で、正の電圧を発生する可変電圧源Ｖipから成る。
【００４０】
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃは、それぞれ、前記相間電圧検出回路２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ、前記スイッチング回路３３を介した増幅器３２、及び、前記基準相間電圧設定回路３４の各出力の和に対応した信号を極性を反転して出力する増幅器である。
【００４１】
この様な構成の直流高圧電源において、負荷が作動していない時、即ち、前記電子ビーム源３が熱電子を発生していない時から始動される場合について説明する。
【００４２】
先ず、制御装置（図示せず）の指令によりスイッチＳ２はオフにされる。基準相間電圧設定回路３４からは、正の基準相間電圧信号Ｖipが各増幅器３５Ａ,３５Ｂ,３５Ｃに送られる。
【００４３】
該各増幅器は前記基準相間電圧信号に応じた信号を前記各パルス生成回路２１Ａ,２１Ｂ,２１Ｃ、及び、位相制御回路１４を介して前記各制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに送る。該各制御素子はこの様にして送られて来た信号により作動状態になる。
【００４４】
すると、三相交流電源１２からの各相電圧が該各制御素子を通過し、前記相間電圧検出回路２９Ａは前記三相交流電源１２からのＲ相電圧とＳ相電圧の相間電圧を、前記相間電圧検出回路２９Ｂは前記三相交流電源１２からのＳ相電圧とＴ相電圧の相間電圧を、前記相流直流変換回路２９Ｃは前記三相交流電源１２からのＴ相電圧とＲ相電圧の相間電圧を、それぞれ負の直流出力信号−ＶR-S、直流出力信号−ＶS-T、直流出力信号−ＶT-Rに変換する。
【００４５】
該直流出力信号−ＶR-S、−ＶS-T、−ＶT-Rはそれぞれ増幅器３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃに送られる。
【００４６】
該増幅器３５Ａは送られて来た前記直流出力信号−ＶR-Sと前記基相間電圧信号Ｖipとの和に対応する信号(Ｖip−ＶR-S)をパルス生成回路２１Ａに、前記増幅器３５Ｂは送られて来た前記直流出力信号−ＶS-Tと前記基準相間電圧信号Ｖipとの和に対応する信号（Ｖip−ＶS-T）をパルス生成回路２１Ｂに、前記増幅器３５Ｃは送られて来た前記直流出力信号−ＶT-Rと前記基準相間電圧信号Ｖipとの和に対応する信号（Ｖip−ＶT-R）をパルス生成回路２１Ｃに送る。
【００４７】
該パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにおいては、先に図３を用いて説明したように、それぞれ、パルス調整回路２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃが抵抗とコンデンサにより決まる勾配を有する三角波信号を生成しているので、該パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、それぞれ、前記増幅器３５Ａ,３５Ｂ,３５Ｃからの信号と三角波信号が一致する全ての時点のおいてパルス信号を生成し、位相制御回路１４に送る。
【００４８】
該位相制御回路は送られて来たパルス信号に基づいた位相制御信号を作成して各制御素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに送る。
【００４９】
該各制御素子は送られて来た各位相制御信号に基づいて点弧位相角を制御して、それぞれ、前記三相交流電源１２からの各相電圧の波形を制御する。
【００５０】
この制御された各相の波形に基づく各相間電圧が相間電圧検出回路２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃにより、検出されることによって、Ｖip−ＶR-S、Ｖip−ＶS-T、Ｖip−ＶT-Rがそれぞれゼロとなるようなフィードバック制御が行われる。
【００５１】
この結果、前記三相交流電源１２からのＲ相電圧とＳ相電圧との相間電圧と、Ｓ相電圧とＴ相電圧間との相間電圧と、Ｔ相電圧とＲ相電圧間との相間電圧が共に、前記基準設定相間電圧に等しくなる。
【００５２】
この様に、前記各相間電圧が基準設定相間電圧に等しくなる様に制御されることにより、前記交流直流変換回路１５において交流から変換される直流に重畳されるリップルが極めて小さくなり、前記カソード６とアノード７との間に印加される加速電圧に入り込むリップル成分も極めて小さいものとなる。
【００５３】
次に、制御装置（図示せず）からの指令に基づいて電子ビーム発生源３のフィラメント加熱電源５が作動し、フィラメント４からは熱電子が発生する（この状態を負荷作動時とする）。そして、前記リップルが低減された前記交流直流変換回路１５からの直流電圧が前記カソード６とアノード７との間に加速電圧として印加される。この時、同時に、制御装置（図示せず）からの指令に基づいて前記スイッチング回路３３がオンの状態（スイッチＴａが端子ＴａとＴｂを繋ぐ状態）になる。
【００５４】
この状態において、前記フィラメント４から発生された熱電子は前記カソード６の表面を衝撃し、該衝撃により該カソードから熱電子が発生する。該熱電子は、前記カソード６とアノード７との間に印加された負の直流電圧（加速電圧）により加速されて坩堝８に収容された蒸発材料９を照射する（図１参照）。
【００５５】
この様にスイッチング回路３３がオンの状態になると、図２に示される従来例と同じ構成である増幅器２０の出力（Ｖ0−Ｖa）が増幅器３２、スイッチング回路３３、増幅器３５Ａ，３５Ｂ,３５Ｃを介してパルス生成回路２１Ａ,２１Ｂ,２１Ｃへ送られるため、図２を用いて説明したフィードバック制御が図４の実施例でも同様に行われることになる。そのため、前記交流直流変換回路１５の出力電圧は、常に設定電圧Ｖ0に維持されることになる。
【００５６】
この結果、前記電子ビーム源３のカソード６とアノード７との間に常に所定の加速電圧（前記設定加速電圧Ｖ0に対応する電圧）が印加されることになる。
【００５７】
尚、前記増幅器３２は、加速電圧の制御系に前記増幅器３５Ａ,３５Ｂ,３５Ｃが加わったために、制御信号を反転する必要があって挿入されたものである。
【００５８】
尚、前記パルス生成回路２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが異常信号に基づいてパルス信号を生成することにより、結果的に、設定加速電圧からかけ離れた加速電圧がカソードとアノードの間に印加されない様に、前記各パルス生成回路（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）と前記各増幅器（３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ）との間に、それぞれ、振幅制限回路（例えば、基準電圧源とリミッタから成る）を挿入し、基準電圧の振幅を越える様な振幅の信号、即ち、異常信号がパルス生成回路に入って来たら、前記基準電圧に基づいてパルス信号を生成し、該基準電圧の振幅以下の振幅を有する信号が入って来たら、該入力信号に基づいてパルス信号を生成する様に成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】直流高圧電源を搭載した電子ビーム蒸着装置の一概略例を示す。
【図２】従来の電子ビーム蒸着装置の主要部である直流高圧電源の一概略例を示す。
【図３】直流高圧電源の動作説明に使用した信号波形の一例を示す。
【図４】本発明の電子線照射装置の一つである電子ビーム蒸着装置の主要部を成す直流高圧電源の一概略例を示す。
【符号の説明】
【００６０】
１…真空チャンバー
２…真空ポンプ
３…電子ビーム発生源
４…フィラメント
５…フィラメント加熱電源
６…カソード
７…アノード
８…坩堝
９…蒸着材料
１０…基板
１１…直流高圧電源
１２…三相交流電源
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…制御素子
１４…位相制御回路
１５…交流直流変換回路
１６…昇圧変圧器
１７，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…整流平滑回路
１８…検出回路
１９…加速電圧設定回路
２０,３２,３５Ａ,３５Ｂ,３５Ｃ…増幅器
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…パルス発生回路
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…パルス調整回路
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…摘み
２９Ａ,２９Ｂ,２９Ｃ…相間電圧検出回路
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…降圧変圧器
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…整流平滑回路
３３…スイッチング回路
３４…基準相間電圧設定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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