JP2013069511A - スリット電極及びこれを備えた荷電粒子ビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
スリット状開口部を形成する複数本の電極棒を交換する際の作業効率の改善されたスリット電極を提供する。
【解決手段】
この発明のスリット電極１は、開口部３を有する電極枠体２と、長手方向と交差する方向に沿って開口部３内に並設された複数本の電極棒５と、開口部３を挟んで各電極棒５の長手方向の端部を支持する複数の電極棒支持部７とを備えている。さらに、電極枠体２上に配置され、電極棒５が並設される方向に沿って複数の電極棒支持部７の上面を覆う蓋体６を備えていて、この蓋体６が電極棒支持部７の上面に配置された際、電極棒５の長手方向において電極棒支持部７に開放端部１３が形成されるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオンビーム照射装置のイオン源や電子ビーム照射装置の電子源といった荷電粒子ビーム発生装置で用いられるスリット電極及びこれを備えた荷電粒子ビーム発生装置に関する。

従来から、イオンビーム照射装置のイオン源よりイオンビームを引き出す為の引出し電極系として、複数のスリット状開口部（長方形状の開口部）を有するスリット電極が用いられている。このようなスリット電極のスリット状開口部はプラズマに曝されたり、引き出されたイオンビームが衝突したりして、高温に加熱される。

スリット状開口部が高温に加熱されると、それによって熱変形が生じる。熱変形によるスリット状開口部の歪みが大きくなると、例えば、所望するビーム量を有するイオンビームの引出しが行なえなくなる。その結果、部品の交換が必要となる。

部品の交換といっても、スリット電極全体を交換すると費用が高額となる。その為、複数のスリット状開口部を構成する部品のうち、特に歪みが大きい部品だけを交換したいという要望がある。

このような要望に応えるべく、これまでに特許文献１に記載のスリット電極が考案されてきた。

特許文献１にはスリット電極のスリット状開口部を構成する部材を部分的に交換することが可能なスリット電極が開示されている。

特許文献１の図２にはイオン源の引出し電極系で使用されるプラズマ電極（加速電極とも言う）の構成が開示されている。このプラズマ電極では、電極枠体の開口部に複数本の電極棒を配置することで、各電極棒間にスリット状開口部が形成されている。各電極棒は、電極枠体に形成された貫通穴を介して電極枠体の外部より個別に抜き差しされることで、電極枠対への取り付けや取り外しが行われている。

また、特許文献１の図３には引出し電極系を構成する抑制電極と接地電極の例が示されている。図２の例と同様に、電極枠体の開口部に複数本の電極棒を配置することでスリット状開口部が構成されている。この図３の例においては、電極枠体は２つの枠体から構成されており、各枠体に設けられた穴に電極棒の端部を挿入した状態で、２つの枠体を組み合わせることでスリット電極の組立が行われる。反対に、スリット電極の分解時には、２つの枠体を分解して、各枠体の穴より複数本の電極棒が取り外される。

特公平７−３４３５８号公報（図２、図３、（２）４ ３３行目〜（３）５ ４０行目）

通常、スリット電極を構成する電極棒は１本だけが歪んでしまうのではなく、ある領域に配置されている複数本の電極棒に歪みが生じてしまう。その為、これらをまとめて交換することが必要とされる。

しかしながら、特許文献１の図２に記載される電極の構成では、電極棒を１本ずつ電極枠体に対して抜き差しして交換することになるので、時間がかかってしまう。

また、特許文献１の図３に記載される電極の構成では、複数本の電極棒をまとめて交換できるが、交換対象とする電極棒の本数に関わらず、常に電極枠体を分解しなければならないので、作業効率が悪い。特に、イオン源の寸法が大きなものになると、電極枠体も大きなものとなるので、分解作業に多大な時間や労力を要することになる。

本発明ではスリット状開口部を形成する複数本の電極棒を交換する際の作業効率が改善されたスリット電極を提供することを主たる目的とする。

本発明のスリット電極は、開口部を有する電極枠体と、長手方向と交差する方向に沿って前記開口部内に並設された複数本の電極棒と、前記開口部を挟んで各電極棒の長手方向の端部を支持する複数の電極棒支持部と、前記電極枠体上に配置され、前記電極棒が並設される方向に沿って前記電極棒支持部の上面を覆うことで、前記電極棒の長手方向において前記電極棒支持部に開放端部を形成する蓋体とを備えている。

このような構成を採用すると、電極棒支持部の上面を覆う蓋体を取り外すだけで、複数本の電極棒の交換が可能となる。その為、１本ずつ電極棒を抜き差したり、大きな電極枠体を分解したりする従来の構成と比較して、電極棒の交換に要する時間を大幅に短縮することや電極棒の交換作業に係る労力を少なくすることが期待できる。

また、前記蓋体は、前記電極棒が並設された方向に沿って複数に分割されていても良い。

蓋体に熱膨張が発生した場合、１つの大きな蓋体だと、熱膨張による蓋体の伸びも大きくなる。一方、蓋体を分割しておくと、１つの大きな蓋体に比べて蓋体の熱膨張による伸びを許容できうる程度の小さなものにすることができる。また、蓋体を分割して設けておくと、熱変形の大きい蓋体のみを交換することができるので、部材交換による費用を低額に抑えることが期待できる。

また、スリット状開口部の形状を、スリット電極の全面に渡ってほぼ一定にするには、前記電極棒の長手方向と前記電極棒が並設される方向に垂直な方向から見たとき、複数に分割された前記蓋体は、互いに隣り合う端部が重なるように構成されていることが望ましい。

また、前記電極棒支持部は、前記電極枠体に形成されていても良い。

このような構成にしておくと、電極棒支持部として別の部材を用いる必要がないので、その分の費用を安くすることが期待できる。

一方、前記電極棒支持部は、前記電極枠体上に前記開口部を挟んで配置された電極棒支持部形成部材に形成された貫通穴で構成されていても良い。

電極枠体上に電極棒支持部を形成しておくと、電極棒支持部が熱変形した場合、電極枠体を交換しなければならない。イオン源の大きさにもよるが、電極枠体は比較的大型な部材である為、その分、部材費用は高い。一方、上記した構成を採用した場合、電極棒支持部形成部材を交換すれば済むので、部材交換に伴って発生する部材費用を低額に抑えることが期待できる。

また、前記電極棒支持部は、前記電極枠体上に前記開口部を挟んで配置された電極棒支持部形成部材に形成された切り欠き部で構成されていても良い。

このような構成を採用しても、電極棒支持部の熱変形によって部材交換が必要となった場合でも部材交換に要する部材費用を低額に抑えることが期待できる。

さらに、前記電極棒支持部形成部材は、前記電極棒の並設された方向に沿って、複数に分割されていても良い。

電極棒支持部形成部材に熱膨張が発生した場合、１つの大きな部材にしておくと、熱膨張による部材の伸びも大きくなる。一方、部材を分割しておくと、１つの大きな部材に比べて熱膨張による伸びを許容できうる程度の小さなものにすることができる。その為、電極棒支持部形成部材を分割しておくと、熱膨張による部材の伸びを小さなものにしておくことができる。また、電極棒支持部形成部材を分割しておくと、熱変形が大きい一部の電極棒支持部形成部材のみを交換すればいいので、交換に係る部材費用をより低額に抑えることが期待できる。

電極棒支持部の上面を覆う蓋体を取り外すだけで、一度に複数本の電極棒の交換が可能となるので、従来に比べて電極棒の交換に要する時間を大幅に短縮することや電極棒の交換作業に係る労力を少なくすることが期待できる。

本発明のスリット電極の一例を表す平面図である。 図１のスリット電極から蓋体および電極棒を取り除いた時の様子を表す平面図である。 図２の要部拡大図であり、電極棒が電極棒支持部に配置される時の様子を表す。 図３の変形例であり、電極棒支持部形成部材を用いた例を表す。 図２の要部拡大図であり、電極棒支持部上に蓋体を配置した時の様子を表す。 図４に記載の電極棒支持部形成部材とその変形例を表し、（Ａ）は図４の電極棒支持部形成部材であり、（Ｂ）は（Ａ）に記載の電極棒支持部形成部材の変形例である。 図１に記載のスリット電極に係る変形例を表す平面図である。 図１に記載のスリット電極に係る別の変形例を表す平面図である。 図８のスリット電極から蓋体および電極棒を取り除いた時の様子を表す平面図である。 図１に記載のスリット電極に設けられた蓋体とその変形例を表し、（Ａ）は図１のＹ方向に配置された複数の蓋体間を拡大した図であり、（Ｂ）は（Ａ）に記載の蓋体の変形例であり、（Ｃ）は（Ｂ）をＸ方向から見た時の様子を表す。

以下の実施形態において、各図に描かれているＸ、Ｙ、Ｚの各軸は互いに直交している。

図１には本発明のスリット電極１の一例が描かれている。このスリット電極１は、主に開口部３を有する電極枠体２と開口部３内に配置された複数本の電極棒５（図中、ハッチングされている部材）とで構成されている。

各電極棒５は、長手方向がＸ方向に沿うように電極枠体２に支持されているとともに、概ねＹ方向に沿って略等しい間隔を空けて並設されている。

概ねＹ方向に沿って並設された各電極棒５の間やＹ方向の端部に位置する各電極棒５と電極枠体２との間には、スリット状開口部４が形成されている。なお、図１、後述する図７および図８では、図面の簡略化の為、電極棒５とスリット状開口部４の符号を一部にしか付記していない。

図１に示されるスリット電極１から電極棒５と蓋体６とを取り除いた時の様子が図２に描かれている。複数本の電極棒５は、電極枠体２の開口部３を挟んでＸ方向に沿って対向配置された図２に記載の電極棒支持部７に、その長手方向における両端部が支持されている。この電極棒支持部７は、一例として、電極枠体２の開口部３に隣接する端部を矩形状に切り欠くことで形成されている。

図２に記載される電極棒支持部７の上面には、図１に記載の蓋体６がＺ方向側より取り付けられる。蓋体６には図示されない貫通穴が形成されており、Ｚ方向側より止めネジ８を蓋体６の貫通穴に挿通し、電極枠体２のネジ穴９に螺合することで、蓋体６の取り付けが行われる。

図１に記載の蓋体６は、電極棒５が並設された方向（おおよそ図中のＹ方向）に沿って複数に分割されているが、これらを分割せずに１つの蓋体６としても良い。１つの蓋体６の場合、蓋体６の取り付け作業が簡便となる。また、蓋体６には熱膨張が生じるので、熱膨張率が小さいモリブデンやタングステンのような高融点材料を蓋体６に使用することが望まれる。

蓋体６に熱膨張が発生した場合、１つの大きな蓋体６だと、熱膨張による蓋体６の伸びも大きくなる。一方で、蓋体６を分割しておくと、１つの大きな蓋体６に比べて蓋体６の熱膨張による伸びを許容できうる程度の小さなものにすることができる。また、蓋体６を分割して設けておくと、熱変形の大きい蓋体のみを交換することができるので、部材交換による費用を低額に抑えることが期待できる。

図３は、図２の要部拡大図であり、電極棒５が電極棒支持部７に配置される時の様子が描かれている。Ｘ方向及びＹ方向において、電極棒５の寸法とＸ方向に配置された一対の電極棒支持部７間の寸法との関係は、Ｒ１Ｘ＜ＬＸ＜Ｒ２Ｘ、ＬＹ≦ＲＹとなるように設定されている。Ｚ方向においては、電極棒５は電極棒支持部７内に収まるように互いの寸法関係が設定されている。ただし、これに限られない。例えば、電極棒支持部７の上方を覆う蓋体６の一部にザグリを設けておき、ここに電極棒５の一部が収納されるように構成しておく場合、電極棒５は電極棒支持部７内に収まらなくても良い。

図３では、電極棒支持部７を電極枠体２に形成していた。その場合、電極棒支持部７を構成する特別な部材が必要ないので、その分の部材費用を安くすることが期待できる。

しかしながら、電極棒支持部７が形成される近辺は、プラズマに曝されたり、イオンビームが衝突したりして比較的高温に加熱される。その為、電極棒支持部７が熱変形してしまう可能性がある。電極棒支持部７が熱変形した場合、図３の例では電極枠体２を交換しなければならない。イオン源の大きさにもよるが、電極枠体２は比較的大型な部材となる為、その分、部材費用が高い。

そこで、電極棒支持部７を電極枠体２に形成せずに、別の部材に形成することが考えられる。図４は、図３の変形例であり、電極棒支持部形成部材１０を用いた例が描かれている。ここでは、Ｙ方向に沿って電極棒５が並設されている間隔で貫通穴１１を有する櫛形状の電極棒支持部形成部材１０が電極枠体２上に取り付けられている。電極棒支持部形成部材１０が電極枠体２に取り付けられることで、この貫通穴１１の部分が電極棒支持部７になる。電極棒支持部７を構成している貫通穴１１の形状に歪みが生じた場合は、電極棒支持部形成部材１０を取り替えるだけで良いので、電極枠体２を交換する場合に比べて交換に要する部材費用を安くすることが期待できる。なお、電極棒支持部形成部材１０の電極枠体２への取り付け関しては、蓋体６の電極枠体２への取り付けと同様に、止めネジ８等を用いて行われる。

図５は、図２の要部拡大図であり、電極棒支持部７上に蓋体６を配置した時の様子が描かれている。この図より理解できるように蓋体６を電極棒支持部７の上面に配置した場合、電極棒５の長手方向であるＸ方向において、電極棒支持部７に開放端部１３が形成される。このような構成によって、電極棒５端部の電極棒支持部７からの抜け落ちが防止される。

図６には、図４に描かれた電極棒支持部形成部材１０とその変形例が描かれている。図６（ａ）は、図４に描かれた電極棒支持部形成部材１０であり、Ｚ方向に向けて形成された貫通穴１１がＹ方向に沿って複数設けられている。

図６（ｂ）は、電極棒支持部形成部材１０の変形例であり、貫通穴１０の代わりに、切り欠き部１２が形成されている。このようなものであっても電極棒支持部形成部材１０として用いることができる。なお、この図６（ａ）、（ｂ）に描かれている貫通穴１１と切り欠き部１２の個数は、あくまで一例であり、ここに描かれている以上の個数（３つ以上）を有する電極棒支持部形成部材１０であっても良い。

また、これまでに例示した電極棒支持部７の形状は、矩形状であるが、これに限られない。例えば、ＸＹ平面において半円形断面を有する形状であっても良い。

さらに、電極棒支持部形成部材１０を用いた場合、蓋体６は電極棒支持部形成部材１０上に取り付けられてもいいし、電極棒支持部形成部材１０の上面を覆うようにして、電極枠体２に取り付けられても良い。

また、電極棒支持部形成部材１０も蓋体６と同様に熱膨張が発生することが考えられるので、熱膨張率が小さいモリブデンやタングステンのような高融点材料を電極棒支持部形成部材１０に使用することが望まれる。

電極棒支持部形成部材１０に熱膨張が発生した場合、１つの大きな部材だと、熱膨張による部材の伸びが大きくなる。一方で、部材を分割しておくと、１つの大きな部材に比べて熱膨張による部材の伸びを許容できうる程度の小さなものにすることができる。その為、蓋体６と同様に電極棒支持部形成部材１０を複数に分割しておくことが望まれる。また、このような分割構造を採用すると、熱変形が低減できることに加えて、熱変形の大きい電極棒支持部形成部材１０のみを交換することができるので、部材交換時の費用を低額に抑えることが期待できる。

本発明が適用される電極枠体２に形成される開口部３は長方形状である必要はなく、それ以外の形状であっても良い。例えば、円形状や楕円形状、多角形状のものであっても良く、開口部３に電極棒５を配置した際に、イオンビームを通過させるスリット状開口部４が形成されるものであれば、どのような形状であっても良い。

電極棒５の材質としては、高温に加熱されることから高融点材料（例えば、モリブデン、タングステン）が用いられることが考えられる。

また、蓋体６は必ずしもＸ方向に開口部３を挟んで対に設けられている必要はない。例えば、図７に示されるように紙面左側に配置される蓋体６の数が４つであるのに対して、紙面右側に配置される蓋体６の数が２つであるといったように、開口部３を挟んで配置される蓋体６の個数を異ならせても良い。

さらに、これまで電極棒５の長手方向がＸ方向に沿って配置されている例について説明してきたが、それ以外の構成であっても良い。例えば、図８に記載されているように、ＸＹ平面上でＸ方向に対して斜めとなる方向に各電極棒５の長手方向を配置しておき、各電極棒５がおおよそＹ方向に沿って並設されるようにしておいても良い。この場合、ＸＹ平面において、複数本の電極棒５の間に形成されるスリット状開口部４の形状はおおよそ平行四辺形になる。なお、本発明ではこの図８のように各電極棒５の長手方向と並設方向とが交差していれば良い。

また、図８に描かれているように電極棒５を配置した場合、Ｘ方向に開口部３を挟んで対向配置されていた電極棒支持部７、電極棒支持部形成部材１０に形成される貫通穴１１や切り欠き部１２の配置も電極棒５の配置に伴って、Ｙ方向にずれて配置されるようになる。この様子が、図９に描かれている。

図１の蓋体６では、Ｘ方向における端部が開口部３側にはみ出して配置されていた。この場合、図１０（Ａ）に示すように、スリット状開口部４の形状が場所によって異なってくる。具体的には、図１０（Ａ）にＡ〜Ｃで表されるスリット状開口部４の形状を比べると、ＡとＣではほぼ同じ形状になるが、Ｂの形状は他の形状よりも大きくなる。スリット状開口部４の形状の違いが大きくなると、スリット状開口部４を通過するイオンビームの量にムラが生じてしまう。

そこで、各スリット状開口部４を同形状にする為に、開口部３の縁に蓋体６の端部をぴったり沿わせるようにすることが考えられる。ただし、取り付け誤差や部材の製造精度を考慮すると、ぴったり沿わせるようにすることは難しい。また、蓋体６の端部を開口部３から離して配置することも考えられるが、そうすると、電極棒支持部７が露出されることになる。電極棒支持部７が露出されると、電極棒５が抜け落ちる恐れがある。抜け落ちを確実に防止する為には、蓋体６で覆われる電極棒支持部７の領域を広げるとともに、電極棒５の長さをこれまで以上に長くしておかなければならない。この場合、図１の構成に比べて、電極棒５の熱膨張による一層の歪みが懸念される。

そこで、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）に示すような蓋体６の構成を用いることが考えられる。図１０（Ｂ）の構成では、Ｚ方向から見たときに、隣り合う蓋体６の端部が重なるように配置されている。ただし、重なると言っても互いの部材がぴったりとくっついているのではない。図１０（Ｃ）に描かれているように、隣り合う蓋体６の端部は熱膨張が許容できるように隙間を空けた状態で配置されている。このような構成の蓋体６を用いることによって、複数のスリット状開口部４を全て同一形状にすることができる。また、電極棒５の脱落防止を考慮して、電極棒５の長さを長くする必要がないので、電極棒５の熱膨張による歪みを図１の例と同程度にすることができる。

上述した実施形態では、イオンビーム照射装置に用いられるイオン源に本発明のスリット電極１が適用される例について述べてきたが、電子ビーム照射装置で用いられる電子源に本発明のスリット電極１を適用させても良い。電子源においてもイオン源と同じく、電子ビームの引出し時に電極部が加熱される問題が生じるので、本発明のスリット電極１を適用させることができる。

前述した以外に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行っても良いのはもちろんである。

１・・・スリット電極
２・・・電極枠体
３・・・開口部
４・・・スリット状開口部
５・・・電極棒
６・・・蓋体
７・・・電極棒支持部
８・・・止めネジ
９・・・ネジ穴
１０・・・電極棒支持部形成部材
１１・・・貫通穴
１２・・・切り欠き部
１３・・・開放端部

Claims (8)

1. 開口部を有する電極枠体と、
   長手方向と交差する方向に沿って前記開口部内に並設された複数本の電極棒と、
   前記開口部を挟んで各電極棒の長手方向の端部を支持する複数の電極棒支持部と、
   前記電極枠体上に配置され、前記電極棒が並設される方向に沿って前記電極棒支持部の上面を覆うことで、前記電極棒の長手方向において前記電極棒支持部に開放端部を形成する蓋体とを備えていることを特徴とするスリット電極。
2. 前記蓋体は、前記電極棒が並設される方向に沿って複数に分割されていることを特徴とする請求項１記載のスリット電極。
3. 前記電極棒の長手方向と前記電極棒が並設される方向に垂直な方向から見たとき、複数に分割された前記蓋体は、互いに隣り合う端部が重なっていることを特徴とする請求項２記載のスリット電極。
4. 前記電極棒支持部は、前記電極枠体に形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のスリット電極。
5. 前記電極棒支持部は、前記電極枠体上に前記開口部を挟んで配置された電極棒支持部形成部材に形成された貫通穴で構成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のスリット電極。
6. 前記電極棒支持部は、前記電極枠体上に前記開口部を挟んで配置された電極棒支持部形成部材に形成された切り欠き部で構成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のスリット電極。
7. 前記電極棒支持部形成部材は、前記電極棒の並設された方向に沿って、複数に分割されていることを特徴とする請求項５または６記載のスリット電極。
8. 荷電粒子ビーム引出し用の電極として、請求項１、２、３、４、５、６または７記載のスリット電極を備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム発生装置。