JP4385048B2 - 荷電ビーム銃 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡装置に用いられる電界放射形電子銃のように荷電粒子を加速するために高電圧が印加される荷電ビーム銃に関する。

電子ビーム装置やイオンビーム装置のように高い到達真空度と良質の真空が要求される装置の荷電ビーム銃においては、本体の真空度を良くするために荷電ビーム銃の真空脱ガス（ベーキング）が行われる。このとき荷電ビーム銃の熱的耐力や荷電ビーム銃のメンテナンスなどの関係から、高電圧ケーブル部と本体である真空容器とは分離した構造をなし、両者を組み立てて高電圧部を接続し一体化した構造とする。このような荷電ビーム銃においては電源側と本体側とを電気的に接続する部分の絶縁耐力が重要となる。

絶縁耐力を高めるための従来技術として、例えば電源側と本体側を電気的に接続する空間を設けて沿面距離を大きくする方法がとられる。また、他の従来技術として特開２００２−２７０１２５号公報に記載されているように、電源側と本体側を電気的に接続する空間にフッ素を主成分とする絶縁性液体を充填することが提案されている。
特開２００２−２７０１２５号公報

上記従来技術で高電圧接続部付近に間隙を設けて沿面距離を大きくする方法は、所定の絶縁耐力を保持するのに十分な間隙寸法と沿面距離を必要とすることになり、荷電ビーム銃本体を小型化する上で障害となる。さらに、荷電ビーム銃周辺の環境変化によって高圧絶縁面が結露ないし吸湿を生じることにより絶縁部のリーク電流が増大して絶縁耐力が低下することがあったが、電源側と本体側を電気的に接続する空間にフッ素を主成分とする絶縁性液体を充填することで高電圧絶縁面の結露や吸湿によるリーク電流の増大を制御して絶縁耐力を向上させ、小型化が可能な信頼性の高い荷電ビーム銃を得ることができた。しかし、化学物資を扱う装置において重要となる絶縁性液体の充填や回収について考慮されておらず、環境保護を考慮した設計になっていない。特に、オゾン層破壊、地球温暖化や大気汚染を抑える考慮がされていない。

本発明は、接続ブッシングの脱着を必要とする超高真空容器を備える荷電ビーム銃において高電圧接続部の絶縁不良を抑制し、絶縁信頼性の高い環境負荷の小さい荷電ビーム銃を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電源側と本体側を電気的に接続する接続空間部にフッ素を主成分とする絶縁性液体（パーフルオロカーボン）を充填し、接続空間部を接続ブッシングの配管と弁を介して外気を封じ切る構成とした。

このように構成することで、超高真空容器の荷電ビーム銃の高電圧接続部付近における絶縁物表面の結露ないし吸湿によるリーク電流の増大を抑制して絶縁耐力を向上させ、小型化が可能な信頼性の高い荷電ビーム銃を得ることができると同時に、接続ブッシングを外すことなく前記接続空間に絶縁性液体を注入することと排出回収し再利用することができる。

本発明によれば、装置の使用環境の変化による結露ないし吸湿に起因する碍子沿面の絶縁抵抗低下を防いでリーク電流の増大を抑制し、長期に渡って耐電圧を維持できるので、装置の安定稼動性が向上する。また、環境保全に適合した小型で耐電圧信頼性の高い荷電ビーム銃を得ることができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による荷電ビーム銃の一実施例であるイオンビーム装置の概略構成図である。本例のイオンビーム装置１は、イオン銃２、真空容器３、真空排気装置４、高電圧電源部５を備える。真空容器３と真空排気装置４の間にはゲートバルブ７が設置されている。イオン銃２は、イオン源２−１、引出電極２−２、加速電極２−３を備える。真空容器３に内蔵されたイオン銃２は、イオンポンプ９によって排気されている。また、高電圧電源部５は、イオン加速用の高電圧発生装置５−１及びイオン加速制御部５−２を有し、高電圧ケーブル５−３ａを介してイオン源２−１に正の高電圧を給電し、高電圧ケーブル５−３ｂを介して引出電極２−２に正の高電圧を給電している。加速電極２−３は接地されている。引出電極２−２によってイオン源２−１から引き出されたイオンビーム６は加速電極２−３で加速され、下流に照射される。このイオンビーム装置１に、イオンビーム照射試料からの信号を検出する信号検出系と照射イオンビームをレンズで細く絞り、ビームを偏向制御して試料に照射する機能を付加すると、集束イオンビーム加工観察装置を構成することができる。

図２は本発明によるイオン銃の高電圧接続部の断面図、図３はその接続ブッシングと受電側フランジを分離して示した図である。

真空容器３には真空脱ガス用のヒータ３ｂが設けられ、ヒータ３ｂで真空容器３を加熱しながら真空排気することにより１０^-6Ｐａオーダの真空度を達成する。なお、真空容器３にヒータを設けず、他の手段で真空容器３を加熱しながら真空排気してもよい。高電圧発生装置５−１から発生された高電圧は、高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂを介して送電側の接続ブッシング５−１１１のブッシング端子５−１１１ａに印加され、さらに密着接続される受電側フランジ５−１１２のフランジ端子５−１１２ａに印加され、図１のイオン源２−１及び引出電極２−２へと導かれる。受電側フランジ５−１１２はその上部が金属製フランジ５−１１２ｂからなり、接地電位にある。また、その下部は碍子５−１１２ｃからなり、金属フランジ５−１１２ｂの接地電位とフランジ端子５−１１２ａないし受電側ブッシング端子５−１１１ａの印加高電圧を絶縁する。高電圧はブッシング端子５−１１１ａないし受電側フランジ端子５−１１２ａと金属フランジ５−１１２ｂの間にかかる。

送電側の接続ブッシング５−１１１と受電側フランジ５−１１２間には１ｍｍ前後の間隙部５−１１３があり、その間隙部５−１１３の一部に水分溶解量の小さい絶縁性液体（以下、単に絶縁性液体という）５−１１３ａが充填されている。接続ブッシング５−１１１には間隙部５−１１３の内圧調整用の配管５−１１５と弁５−１１５ａが設けてある。弁５−１１５ａは一方向開放型の弁とすることができる。更に、接続ブッシング５−１１１には、絶縁性液体５−１１３ａを充填または回収する為の配管５−１１６と弁５−１１６ａが設けてあり、接続ブッシング５−１１１のブッシングフランジ５−１１１ｄをブッシング押さえ５−１１１ｅで固定すると、絶縁性液体５−１１３ａはＯリング５−１１４と弁５−１１５ａによって外気と遮断される。

受電装置に高電圧を供給する高電圧ケーブル５−３ａ，５−３ｂは、絶縁性樹脂で作られた接続ブッシング５−１１１に保持されている。接続ブッシング５−１１１は、真空容器３に設けられる受電側フランジ５−１１２に取り外し自在に嵌め込まれる。接続ブッシング５−１１１に設けられ、ケーブル５−３ａ，５−３ｂに接続されているブッシング端子５−１１１ａと、受電側フランジ５−１１２に設けられ受電装置に電気を導くフランジ端子５−１１２ａは、脱着自在に接続される。この脱着自在なる接続は、接続ブッシング５−１１１の受電装置への取り外しに際して行われる（図３参照）。

接続ブッシング５−１１１を受電側フランジ５−１１２に取り付けた際に、接続ブッシング５−１１１と受電側フランジ５−１１２との間に形成される間隙部５−１１３に、水分溶解量が小さい絶縁性液体５−１１３ａが充填される。充填は、接続ブッシング５−１１１を受電側フランジ５−１１２に取り付けたままで弁５−１１６ａを開けて接続ブッシング５−１１１にくり貫いた配管５−１１６を通して行われる。尚、充填中に間隙部５−１１３の内圧力が高くなると弁５−１１５ａが開き、間隙部５−１１３の内圧を開放する。逆に、絶縁性液体５−１１３ａの回収は、弁５−１１５ａと弁５−１１６ａを開き、接続ブッシング５−１１１にくり貫いた配管５−１１６を通して吸い上げて行い、回収後、弁５−１１５ａと弁５−１１６ａを閉じる。この後、接続ブッシング５−１１１を受電側フランジ５−１１２から外すと、絶縁性液体５−１１３ａが暴露することがない。絶縁性液体５−１１３ａの注入または吸い上げは、一例として、図４に示すようなバネ５７を組み込んだエアー駆動のピストン機構５６で行った。また、弁５−１１５ａは通常圧では閉じ、内圧が高くなると開く一方向開放型の弁でもよい。

図４のシリンダー部の動作は、絶縁性液体５−１１３ａを図４のようにピストン機構５６のシリンダーをバネ５７が組み込まれたシリンダーの部屋と絶縁性液体の入った部屋に分離、配管の弁５−１１５ａと弁５−１１６ａを開けてバネの組み込まれた部屋のエアーを抜いてシリンダーのピストンをバネで押してシリンダー内の絶縁性液体を押し出し、配管５−１１６を通して間隙部５−１１３に充填して、弁５−１１５ａと弁５−１１６ａを閉じる。逆に、間隙部５−１１３から絶縁性液体５−１１３ａの排出回収は、配管５−１１６の弁５−１１６ａを開け、シリンダーにエアーを入れてピストンを引いて配管５−１１６を通してシリンダー内に回収し、その後、弁５−１１６ａを閉じる。ピストン機構５６のエアー駆動及び弁５−１１５ａ，５−１１６ａの制御は、制御部５５によって行われる。弁５−１１６ａが一方向開放型の弁である場合には、弁５−１１６ａの制御は不要である。

このようにすると装置稼動中の時は、ブッシング端子５−１１１ａとフランジ端子５−１１２ａが接続される高電圧接続部付近の間隙部５−１１３に絶縁性液体５−１１３ａが存在するので、結露や吸湿によるリーク電流の増大とこれによる絶縁耐力の低下を抑制できる。つまり、周囲の雰囲気が変化して、ブッシング絶縁面５−１１１ｃ又は受電側フランジ絶縁面５−１１２ｄに結露や吸湿が生じても、リーク電流の増大が抑制されるので、絶縁耐力が高められ信頼性を高めることができる。また、ブッシングに配管を設けることによって、絶縁性液体５−１１３ａは封じ切られた状態で(外部に漏れることがなく)間隙部５−１１３に注入、排出回収ができる。更に、例えば直接ブッシングをくり貫いただけの配管であれば、配管があってもブッシング内の誘電変化の少ないブッシングを構成できるので、配管を設けても構造的な欠陥にならない。

一方、荷電ビーム源の安定なビーム放射には良い真空度が必要である。このため、真空容器３には容器の脱ガス用にヒータ３ｂが付いている。脱ガス用のヒータ３ｂを加熱することをベーキングと呼ぶが、ベーキング中の絶縁性液体の扱いに触れておく。ベーキングは絶縁性液体５−１１３ａを取除いて行う。

本例では、絶縁性液体５−１１３ａとしてＦＣ−７５（フロリナート：住友３Ｍ社製）を用いた。ＦＣ−７５は分子構造Ｃ₈Ｆ₁₆のパーフルオロカーボン（ＰＦＣ）からなる不活性溶液で、その絶縁耐圧は空気の絶縁耐圧（３ｋＶ／ｍｍ）の５倍（１５ｋＶ／ｍｍ）以上あり、絶縁トランスなどに用いられている鉱油と遜色ない絶縁性を示す。ＰＦＣの他の特徴として、熱伝導性が良く、表面張力が小さく不活性である。アルコール程度の揮発性があるが、毒性がなくオゾン層破壊や地球温暖化効果が小さく環境に優しい物質であるが、近年、オゾン層破壊、地球温暖化や大気汚染が地球環境を大きく変えている点が問題になっている。このため、装置としても環境負荷を極力抑える考慮をする必要がある。特に、化学物資を扱う装置においてこの点が重要となる。このため、本装置では、外界と封じきってＰＦＣの注入、排出、回収、再利用できるようにした。

ＰＦＣは、不活性であるため、物性の経時変化がなく再利用もしやすい。また、汚れを嫌う超高真空部品に誤ってＰＦＣが付着しても自然蒸発して不純物を残すことなく揮発するので、真空部品を汚す心配がなく、イオン銃や電子銃などの荷電ビーム銃に用いることが可能である。また、イオン銃の構成材の物性を侵すことがない。本発明の高電圧ケーブルのブッシングとの繋ぎの間隙空間にＰＦＣを注入して使うと、周囲温度や湿度の影響で絶縁物表面の汚損状態によっては表面抵抗が低下することを防ぐことができる。

ところで、絶縁碍子など絶縁物表面の絶縁耐力が湿度の影響で低下する点について考察する。水はそれ自身が大きな比誘電率（７０〜９０）を持つ上に、非常に多種多様の物質を溶解するので、吸湿した材料の絶縁抵抗を低下させる。特にイオン性物質の溶け込んだ水が絶縁物表面に付着する、あるいは、汚れた絶縁物表面に水が付着し汚れが溶解すると絶縁物の表面抵抗は低下する。実際、湿度の影響で、ブッシングの汚損部の絶縁抵抗が落ち、部分的に抵抗体になる。電界の強い部分の高抵抗体では電流が流れ電界を緩和するので微小な表面電流が発生して接続ブッシングに放電痕を残す。このような絶縁不良は、ＰＦＣを使うと防ぐことができる。

実験に用いたイオン銃は、ＰＦＣを１５ｃｃ入れると、図２のように高電圧部はすべて浸かってしまった。ＰＦＣに水が溶けると（飽和吸水量１１ｐｐｍ（ｗｔ）ａｔ２５℃）耐電圧が落ちるが、影響が少なく、絶縁破壊電圧は＞１５ｋＶ／ｍｍある。したがって、室温付近で使用するのであれば、飽和吸水量まで水を含んでもＰＦＣの絶縁破壊電圧は＞１５ｋＶ／ｍｍある。この点でＰＦＣは、水の溶解に対する絶縁破壊電圧の変化量が絶縁油と大きく違う。しかし、水が浮くような状態では、水滴が静電誘導で動き回るので絶縁耐力が落ちる。

本発明による荷電ビーム銃の一実施例であるイオンビーム装置の概略構成図。 イオン銃の高電圧接続部の断面図。 高電圧接続部の接続ブッシングと受電側フランジを分離して示した図。 エアー駆動のピストン機構を用いた絶縁性液体の注入、排出方法を示した図。

符号の説明

１…イオンビーム装置、２…イオン銃、２−１…イオン源、２−２…引出電極、２−３…加速電極、３…真空容器、３ａ…真空部、３ｂ…ヒータ、４…真空排気装置、５…高電圧電源部、５−１…高電圧発生装置、５−１１…イオン装置高電圧接続部、５−１１１…接続ブッシング、５−１１１ａ…ブッシング端子、５−１１１ｃ…ブッシング絶縁面、５−１１１ｄ…ブッシングフランジ、５−１１１ｅ…ブッシング押さえ、５−１１２…受電側フランジ、５−１１２ａ…フランジ端子、５−１１２ｂ…受電側金属フランジ、５−１１２ｃ…受電側フランジ碍子、５−１１２ｄ…受電側フランジ絶縁面、５−１１３…間隙部、５−１１３ａ…絶縁性液体、５−１１４…Ｏリング、５−１１５…配管、５−１１５ａ…弁、５−１１６…配管、５−１１６ａ…弁、５−２…イオン加速電圧制御、５−３ａ…高電圧ケーブル、５−３ｂ…高電圧ケーブル、５５…制御部、５６…ピストン機構、５７…バネ、６…イオンビーム、７…ゲートバルブ、９…イオンポンプ

Claims (5)

1. 荷電ビーム銃が内蔵された真空容器と、
   前記真空容器を加熱するヒータと、
   前記荷電ビーム銃に高電圧を給電するケーブルが接続されたブッシング端子を底面に有する接続ブッシングと、
   前記真空容器に設けられ、前記ブッシング端子が接続されるフランジ端子を有し、前記接続ブッシングを着脱自在に支持する受電側フランジとを有し、
   前記受電側フランジと前記接続ブッシングとの間に形成された間隙部に絶縁性液体が注入され、
   前記接続ブッシングに前記間隙部と大気とを連通する第一の配管及び第二の配管が設けられ、前記第一の配管及び前記第二の配管は、前記接続ブッシングをくり貫いて形成され、前記第一の配管は前記接続ブッシングの底面に開口を有する、
   ことを特徴とする荷電ビーム装置。
2. 請求項１記載の荷電ビーム装置において、前記第一の配管及び前記第二の配管にはそれぞれ弁が設けられていることを特徴とする荷電ビーム装置。
3. 請求項２記載の荷電ビーム装置において、前記第一の配管に接続されたピストン機構と、前記ピストン機構及び前記第一の配管に設けられた弁を制御する制御部とを有し、前記制御部は前記ピストン機構及び前記第一の配管に設けられた弁を制御して、前記間隙部への前記絶縁性液体の吸排を行うことを特徴とする荷電ビーム装置。
4. 請求項３記載の荷電ビーム装置において、前記第二の配管に設けられた弁は一方向開放型の弁であることを特徴とする荷電ビーム装置。
5. 請求項１記載の荷電ビーム装置において、前記第一の配管と前記第二の配管の開口は、前記接続ブッシングの底面からの高さが異なる位置に設けられていることを特徴とする荷電ビーム装置。

Images