JP5032827B2

JP5032827B2 - 除電装置

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Publication number: JP5032827B2
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Inventors: 仁稲葉; 義典大久保; 祥行八木; 俊一佐藤; 一仁西村
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Current assignee: KOCHI INDUSTRIAL PROMOTION CENTER; Takasago Thermal Engineering Co Ltd; Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2012-09-26
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Description

本発明は、帯電している物体から静電気を除去するための除電装置に関するものである。

たとえば半導体デバイスやＦＰＤ用ガラス基板、その他の電子部品の製造装置、製造ラインにおいては、これらの電子部品から静電気を除去するために、長波長域（低エネルギー域）のＸ線である、波長が１Å〜数百Åの軟Ｘ線をこれらの電子部品やその基板に対して照射することが行われている。

上記したような軟Ｘ線を照射して除電する除電装置においては、基本的には、Ｘ線の発生方法自体は従来からほぼ同じ手段を用いている。

すなわち真空雰囲気において、電子放出源であるフィラメントを数百℃に加熱し、かつ周辺に対し負電圧を印加することで電子を放出させる方式が一般的な発生方法である。高温での電子放出であるため、放出される電子は熱電子と一般的に言われている。そして放出された熱電子は電界によって正電位側に向けて加速され、最終的に真空管構成部材（いわゆるターゲット）に衝突する。電子のエネルギーは印加される電圧差によって決まるので、例えば電子放出部であるフィラメント電位が−９ｋＶで、電子が衝突する部材の電位が０Ｖの場合は、放出される電子の運動エネルギーは９ｋｅＶとなる。

そして電子放出部から放出された電子が衝突するターゲットに、制動Ｘ線や特性Ｘ線を放出しやすい素材を用いることで、Ｘ線が発生する。この種のＸ線用ターゲットの材料としては、一般にはＷやＴｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等が多く用いられ、ターゲットの厚さは、透過型の場合は電子進入深さと軟Ｘ線透過率の関係から最適な厚さが特定されるが、０．１〜１０μｍ程度が一般的である。一方、反射型の場合は、電子進入深さ以上であればよく、特に厚みは限定されないターゲット材から発生したＸ線は、Ｘ線を比較的透過しやすい部材で構成された窓を透過して外部に出射される。

このような発生原理に基づいたＸ線発生装置において、Ｘ線量を増加させるためには、発生させる電子量を増加させる必要がある。例えば、Ｘ線量を１０倍にするためには、発生電子量も１０倍にする必要がある。この場合、印加電圧を変えずに電子数を１０倍にするには、フィラメントの電子発生表面積を増加させるか、あるいはフィラメント温度をさらに高温化させるかのいずれかを行う必要があるが、何れの方法においても、発熱量の大幅な増加につながる。従来のＸ線発生装置の発熱源の大部分はこのような電子の発生部で起こり、電子電流による発熱（＝電子電流×電圧）は全体の１０〜１５％程度にすぎない。

以上のことを踏まえたうえで従来技術を概観すると、特許文献１（特許２７４９２０２）において使用されているＸ線発生装置は、Ｘ線透過性の基体上、に電子を受けてＸ線を放射する材料よりなる薄いターゲット膜が形成されているターゲット材を用い、フィラメントとターゲットとの間にグリッド電極が設けられているものを使用している。
特許文献２（特開２００５−１１６３５）においては、フィラメントに通電し数百℃にした上で、当該フィラメントにターゲットに対し負電圧を印加することで、熱電子をターゲットに照射している。
同様に特許文献３（特開２００１−２６６７８０）においても、Ｘ線ターゲットへの電子として熱電子を用いている。
同様に特許文献４（特開平７−２１１２７３）でも、Ｘ線ターゲットへの電子として棒状フィラメントから発生させる熱電子を用いている。

特許２７４９２０２特開２００５−１１６３５４特開２００１−２６６７８０特開平７−２１１２７３

しかしながら除電用のＸ線除電装置では、他の用途のＸ線発生装置と異なり低エネルギー（５〜１５ｋｅＶ）でかつＸ線量の多い線源が必要となるため多くの問題がある。その中で最も大きい課題は発熱の問題である。

特許２７４９２０２の用途である除電においては、Ｘ線源の発熱のため、精密な温度制御が要求される工程、例えば液晶ディスプレイ製造や半導体製造における露光工程に対しては、熱による処理への悪影響があるため、近傍での使用が難しい。そのため所定の距離離し、かつ発熱負荷が雰囲気の温度上昇源にならないように、熱排気や水冷といった個別の排熱処理設備の導入が必要となる。除電性能は距離のほぼ３乗に反比例して低下することから、近距離での使用ができないことは、除電性能面で極めて不利となる。

また冷却設備は現場での排気ダクトまたは冷却水配管工事も伴うため、トータルコストは除電装置本体の２〜３倍にまで跳ね上がる。さらにＸ線管構成部材の耐熱性の制約から、Ｘ線発生装置の除電性能向上には限界があり、用途によっては除電性能が不十分で適用できないところがある。特に搬送速度の速いフィルム製造工程などにおいては、現在のＸ線発生装置では性能不十分であるのが実状である。既述したように、高出力化のためにＸ線量を増大させようとすると、発生させる電子量を増加させなければないが、電子量を増加させると必然的に発熱量も増大してしまうからである。

Ｘ線除電装置の寿命も発熱による劣化が主な要因である。従来のＸ線除電装置の寿命は１００００時間程度であり、連続使用した場合には１年ぐらいで交換しなければならない。それゆえさらなる長寿命化のためには、エミッタの劣化抑制が必要となってくる。具体的には、エミッタとしてフィラメント構造を採用している場合、使用に伴う「細り」による断線防止を図る必要がある。しかしながら何れも高温条件での使用であることから、現在の技術レベルでは、大幅な改善は難しい。特に、高出力化と寿命とはトレードオフの関係にあり、両者を同時に改善することは不可能である。

また一方、Ｘ線除電装置としては、バー状や平板状のＸ線発生が構造上最も望ましい形態であるが、従来の電子発生原理によるＸ線発生装置では、このような構造にするには極めて不向きである。例えば５ｃｍＷ（幅）×１００ｃｍＬ（高さ）×２ｃｍＤ（奥行き）の長方形形状の発生装置を製作するには、１００ｃｍのフィラメントを複数本必要とし、それに伴って発熱量、発熱面積ともに非常に大きくなってしまい、その結果本体は水冷にせざるを得なくなり、大型化は避けられない。高い除電性能を得るには、静電気が発生する場所の近傍に除電装置を設置することが最も重要であることから、このような水冷化による大型化は設置の上で大きな制約条件となり、適用できない場合が多くなる。さらに、フィラメントの総延長の増加は、結果的に寿命の大幅な短縮化を招いてしまうことから、現在の技術では実用化不可能な状況にある。

また特開２００５−１１６３５４によれば、本Ｘ線管での発熱の多くは本フィラメント部での発熱が占め、発生管自身の温度は１００℃前後まで容易に上昇する。既述したよう、フィラメント自身の細りによる断線によってその寿命が定まり、通常１００００時間程度が限度である。また点灯時は振動にも弱く、衝撃によりフィラメントは切れやすくさらに短寿命となってしまう。このため、振動の発生しやすい場所での使用には適さないという問題もある。
特開２００１−２６６７８０においては、熱電子発生部がフィラメント構造体でないため断線がなく、寿命の点に関しては特開２００５−１１６３５４に比べると長くできるものと期待できる。しかしながら所定量の熱電子を得るためには、フィラメント相当の昇温が必要であり、かつフィラメントより加熱容積が大きいことから、発熱量としてはより多くなることが予想され、発熱でのデメリットはさらに大きくなる。同時に、熱電子の高効率放出に重要な条件である雰囲気の真空レベルに関しては、特開２００５−１１６３５４に比べて真空レベルの低下は早くなると推測でき、Ｘ線発生量によって寿命は短くなるものと考えられる。
特開平７−２１１２７３に開示された技術でも、フィラメントを採用している関係上発熱総量が多くなり、発熱によるデメリットは大きくなる。また、雰囲気の真空度低下に関しても特開２００１−２６６７８０と同様である。

以上述べた従来技術における、大きな出力と連続点灯が要求される除電用Ｘ線発生装置固有の課題をまとめると次のようになる。
（１）発熱の制約条件からＸ線量の高出力化に限界がある。
（２）耐熱性の制約条件から、Ｘ線発生管に使用できる構成部材には制限がある。
（３）高出力化と寿命はトレードオフの関係にある。
（４）面光源化および発生面の大面積化が困難である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電子を発生させる電子放出部の発熱が抑えられ、それによって前記した課題を解決した軟Ｘ線発生装置を使用した除電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の除電装置は、対象物あるいはその近傍に軟Ｘ線を照射して、当該対象物の静電気を除去する除電装置であって、電子放出部とターゲットを備えた軟Ｘ線発生装置を有し、軟Ｘ線を発生させるための電子放出部の表面を、粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜で構成し、前記薄膜は、ＸＲＤ測定においてダイヤモンドのＸＲＤパターンを有し、かつラマン分光測定を行った際に、膜中のｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比が、２．５〜２．７：１であり、出射される軟Ｘ線のエネルギー域が５〜１５ｋｅＶであることを特徴としている。電子放出部の表面は、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜で構成してもよい。
また本発明の他の除電装置は、対象物あるいはその近傍に軟Ｘ線を照射して、当該対象物の静電気を除去する除電装置であって、電子放出部とターゲットを備えた軟Ｘ線発生装置を有し、前記電子放出部の表面は、粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜で構成され、前記電子放出部の導電性基板と前記薄膜との間には、厚さが５μｍ以下のカーボンナノウォールが設けられ、出射される軟Ｘ線のエネルギー域が５〜１５ｋｅＶであることを特徴としている。

ダイヤモンドは、ＮＥＡ（負性電子親和力Negative Electron Affinity）を有し、電気親和力が小さいので、電子放出部の表面を粒径がｎｍサイズのダイヤモンド粒子からなる薄膜を構成することにより、電子放出部の表面近傍のポテンシャルバリアが低減し、より低い電圧、低い電界集中で電子を放出させることができる。そして従来のように、フィラメントを採用した熱電子の放出ではないので、発熱量は大幅に抑えられ、かつ低い電圧で電子を放出させることが可能であるから、高出力化、すなわち多量の電子放出によるエックス線量の増加が容易である。またダイヤモンドは、結晶構造が強固なため、硬度が高く化学的にも安定であるので、素子の劣化が起こりにくく、軟Ｘ線の発生装置における電子放出素子の材料として適している。

ところで、ダイヤモンドを電子放出素子に用いた場合、ダイヤモンドの結晶性が高いほど基本的な電気伝導度は低く、電極ともなる導電性基板との間に良好な電気的接触を得られにくいということも考えられる。そのため電子放出部の表面に粒径がｎｍサイズのダイヤモンド粒子からなる薄膜を形成する場合、ダイヤモンドと導電性基板との密着性を良好なものとし、しかもダイヤモンド微粒子を均一に分散させることが重要である。さらにまた高出力のエックス線を得るためには、よりしきい値電界強度の低い電子放出素子として電子放出部を構成する必要がある。

発明者らはかかる点に照らし、電子放出部の表面に形成される粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍのサイズのダイヤモンド粒子からなる薄膜として、次のような新しい薄膜を開発した。なお粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍというのは、発明者らが、後述の図３と同様なエックス線解析（リーベルト法の計算）によって得られた結果に基づくものである。

すなわちこの薄膜は、ＸＲＤ測定においてダイヤモンドのＸＲＤパターンを有し、かつラマン分光測定を行った際に、膜中のｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比が、２．５〜２．７：１である。これによって後述するように、１ｍＡ／ｃｍ^２をもたらす電界強度が、１Ｖ／μｍ以下という条件をクリアした電子放出部を実現している。

発明者らの知見によれば、前記した構成のダイヤモンド薄膜を電子放出部の表面に形成した場合、使用空気雰囲気温度が２５℃のとき、電子放出部の温度上昇が従来技術では通常６００℃以上（周辺との温度差５７５℃以上）であったのに対して、本発明の軟Ｘ線発生装置では８０℃以下（周辺との温度差５５℃以下）とすることができ、しかも発生電子数も従来よりもはるかに多く得ることができる。

さらにまた導電性基板上にカーボンナノウォール（ＣＮＷ）と前記ダイヤモンド膜と連続的に成長させることで、よりしきい値電界強度の低い電子放出素子が得られる。またこのような２段構造とすることで電界集中の強化による電子放出特性が向上する。しかもダイヤモンド薄膜と導電性基板との間に可塑性に富むカーボンナノウォールを挟むことで、基板材料の選択の幅が広がるだけでなく、ダイヤモンド薄膜を成膜した後の冷却過程において発生する、サーマルショックによるダイヤモンド膜剥離を抑える効果がある。なおカーボンナノウォールの厚さは、５μｍ以下が好ましく、またその形状は、膜状であっても、散在した核状のものであってもよい。

電子放出部の印加電圧と、ターゲットとの間の電位差は５〜１５ｋＶで、かつ電子放出部の温度上昇が周辺環境温度比５０℃以下であることが好ましい。

また軟Ｘ線が出射されるＸ線出射部の電位が−１００〜＋１００Ｖの範囲であることが好ましい。

前記電子放出部とターゲットは、例えば両者で平行平板構造をなしているような構造でもよい。

除電装置の筐体は、体積抵抗率が１０^９Ω・ｍ未満の導体で構成され、かつ静電遮蔽できる構造であることが好ましい。

また軟Ｘ線を出射する出射用窓は、発生する軟Ｘ線の透過率が５％以上であることが好ましい。

前記出射用窓の窓材は、Ｂｅ、ガラス又はＡｌの少なくとも１種で構成されていてもよい。

本発明によれば、電子発生に伴う発熱量を大幅に削減することができるので、周囲の雰囲気の温度を変動させず、また高出力化も容易である。また構成部材として耐熱性は必要なく、しかも容易に大量の電子が発生できることから、Ｘ線透過能が多少低い材質の窓材でも出射窓に使用することができる。したがって有害で大面積化が難しいＢｅ以外にＡｌ（Ａｌ合金含む）やガラスも使用できるようになり、装置設計の自由度が向上している。しかも温度上昇が極めて少ないので、雰囲気の真空度低下を大幅に改善することができ、大幅な長寿命化が達成できる。もちろんフィラメントを使用しないので断線によって寿命が尽きることもない。

次に本発明の好ましい実施の形態について説明すれば、図１は第１の実施の形態にかかる除電装置１の平面、及び側面断面を示しており、これらの図からもわかるように、本実施の形態にかかる除電装置１は、全体として箱形の形状を有している。

この除電装置１の真空容器となる筐体２は、Ａｌ（アルミニウム）からなる６枚のパネル、すなわち天板３、底板４、左側板５、右側板６、前側板７、後側板８が気密に接合されて構成されている。筐体２自体は、接地されている。左側板５、右側板６、前側板７、後側板８の内側には、各々絶縁体１１が設けられている。また底板４の上面には、絶縁板１２が設けられ、さらにこの絶縁板１２の上面には、電子放出部となるエミッタ１３が設けられている。エミッタ１３に対しては、除電装置１の外部に設置されている直流電源１４から、所定の直流電圧が印加される。

天板３の裏面（内側面）には、ターゲット１５が設けられている。本実施の形態では、厚さが１μｍのタングステンの薄膜を使用した。なおターゲット１５の材質はエネルギーが５〜１５ｋｅＶの制動Ｘ線あるいは特性Ｘ線を放出する物であればよいので、特にタングステンに限定されるものではなく、その他に例えばチタンなども使用することができる。エミッタ１３とターゲット１５とは平行に位置しており、両者で平行平板構造をなしている。またエミッタ１３およびターゲット１５とも、サイズは３ｃｍ×１５ｃｍの長方形である。Ａｌの天板３は、Ｘ線出射窓を構成する。出射窓しては、軟Ｘ線に対する透過性能が高い物質でかつ真空容器の構成部材としての機械的強度があるものが好ましい。またターゲット材を蒸着させる基材（通常は出射窓と兼用）には、軟Ｘ線透過能以外に熱伝達能が高いことが好ましい。

次にエミッタ１３の構造について詳述する。本実施の形態で用いたエミッタ１３は、図２に示した構造を有している。すなわち導電性基板２１の上にｎｍサイズ、例えば５ｎｍ〜５０ｎｍのダイヤモンド粒子が集合した多結晶膜である薄膜２２が形成されている。薄膜２２の厚さは、１〜１０μｍ、好ましくは１〜３μｍがよい。

この薄膜２２は、次のようにして形成される。まず導電性基板２１として、Ｒａ（中心線平均粗さ）が３μｍ以下の低抵抗シリコン単結晶板を使用した。そして、ＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて、導電性基板２１に対して成膜処理を行う。
すなわちまず、シリコン単結晶ウエハ（１００）を３０ｍｍ×３０ｍｍの方形に切り出し、例えば1〜５μm径のタイヤモンド粒子でその表面に対してスクラッチ加工を行い、その後基板表面の脱脂、洗浄を十分に行う。これにより、導電性基板２１表面のＲａを３μｍ以下にする。

ついで、メタンガスを５０ＳＣＣＭと水素ガスを５００ＳＣＣＭ流し、ＣＶＤ装置の処理容器内の圧力を７９９８Ｐａ（６０Ｔｏｒｒ）に維持し、導電性基板２１を１０ｒｐｍで回転させ、基板上の温度のばらつきを５℃以内となるように、基板を加熱するヒータを調整して成膜処理を行う。そして成膜初期段階においては、基板温度を７５０℃で３０分間保持し、その後、ヒータの電圧を上昇させて基板温度を８４０℃〜８９０℃、好ましくは８６０℃〜８７０℃に上昇させて、１２０分間成膜処理を行った。

このようにして成膜された薄膜２２の表面は、図２中の円内で示したように、走査型電子顕微鏡見ると、ダイヤモンドの微粒子が数十から数百個程度集まってできた笹葉構造が見られる。また膜の表面は平坦で歪みも無い。薄膜自体は単一組織であり、図３に示したＸＲＤパターン回折によっても、薄膜２２は、導電性基板２１との界面から薄膜２２の表面までダイヤモンドの均一膜であることが確かめられた。なお図３は、平行ビーム法によるものであり、α＝１°である。なおこの薄膜２２においては、グラファイトのピークは確認できなかった。

次にその特徴をさらに詳しく言うと、
（１）表面は５nm〜５０nmの微粒が数十から数百個程度集まってそれらが１つの笹葉のような構造を示している。
（２）薄膜２２の平坦な表面から突出した部分の高さが３μm以上１０μｍ以下であり、太さが１０〜１００nm程度の針状突起が、１万本〜１０万本／ｍｍ^２の密度で存在している。
（３）針状突起のない部分の表面粗さは、薄膜下部の構造が反映されなければＲａが５００ｎｍ以下である。
（４）波長が５３２ｎｍのレーザによるラマン分光測定によれば、１３３３ｃｍ^−１ダイヤモンドのピークの半値幅が５００ｃｍ^−１以上であり、図４に示したように、１３６０ｃｍ^−１付近を頂点とするピークと、１５８１ｃｍ^−１がピークの二つのピークを有している。

この薄膜２２のＩ−Ｖ特性を調べると、図５に示したようになった。これによれば、しきい値電界強度は０．９５Ｖ／μｍであった。なおこの薄膜２２が表面に形成されているエミッタ１３からの電子放出による蛍光板の発光状態を調べると、発光の斑も無く均一な発光状態が観察できた。

また発明者がさらに調べたところ、この薄膜２２における膜中のダイヤモンド成分に由来するｓｐ３結合と、グラファイト成分に由来するｓｐ２結合の比を調べると、２．５であった。そこで前記した成膜温度の範囲内で適宜変更して、ｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比を変え、電気抵抗率と関係を示すと、図６のようになった。ｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比の評価は、ラマン発光法によって評価した。またｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比は、プラズマ密度によっても影響されるが、成膜の過程で分光することでその放射率を計算し、放射率が０．７であれば、ｓｐ３（ダイヤモンド）、１に近ければｓｐ２（グラファイト）と、間接的に膜組成を推測することができる。そして、ｓｐ３結合／ｓｐ２結合成分比が、２．５から２．７の間で、良好なエミッションとして期待できる電気抵抗率である１ｋΩｃｍ〜２０ｋΩｃｍが得られることが判った。

以上の特性を有する薄膜２２をエミッタ１３の表面に形成した本実施の形態にかかる除電装置１によれば、エミッタ１３に直流電圧を印加することで、軟Ｘ線は出射窓（天板３）から１８０度に近い広がりで照射される。そしてエミッタ１３に対して−９．５ｋＶの直流電圧を印加した際、電子照射量（電子電流換算）は５ｍＡとなり、従来のフィラメント型と比べて約３０倍にも達した。本実施の形態では、出射窓（天板３）の材料に、従来一般のＢｅより透過能の低いＡｌを使用しているので、結果的に透過率はＢｅ比約１／５となるが、最終的に得られる軟Ｘ線のＸ線量は、従来のフィラメント−Ｂｅ出射窓型の６倍（３０×１／５）になった。

そしてエミッタ１３での温度上昇はほとんどなく、数℃レベルであった。尤も、電子電流による発熱分（５ｍＡ×９ｋＶ＝４５Ｗ）は発熱するが、出射窓（天板３）、および筐体２の材料に熱伝達率の高いＡｌを使用しているため、装置自身の温度上昇は比較的低いものである。この点、本実施の形態にかかる除電装置と同様のＸ線照射量を得るために従来のフィラメント型の軟Ｘ線除電装置を動作させた場合には、総発熱量は３００Ｗ相当にもなると予測され、温度上昇による短寿命化と、除電対象物への熱の影響が懸念される。しかしながら前記したように、本実施の形態にかかる除電装置１によれば、温度上昇が殆どないので、寿命がはるかに長くなり、また除電対象物、周囲環境の温度に対する影響は心配が無いものである。

なお本実施の形態では、出射窓の材料にＢｅより透過率の低いＡｌを使用したが、ＡｌはＢｅよりも機械的強度が高いことから、厚みはＢｅよりも薄くすることができる。また機械的強度が高いので、Ｂｅを窓材に使用した装置よりも、取り扱いが容易であり、しかもＢｅよりも大型の出射窓を形成することも容易である。

もちろん出射窓の材料にＢｅを用いてもよく、その場合には、たとえば長手方向２ｃｍ毎に適宜の補強材を追加することで、より透過率の高いＢｅ製の出射窓とすることは可能である。かかる場合、同じＸ線量を得るのに、電子発生量は１／５に削減できることから、発熱総量を９Ｗ（＝４５／５）と、さらに大幅に軽減できるメリットがある。

なお発明者らの知見によれば、本発明に使用する電子放出部としてのエミッタを製造する場合、基板は、その表面の中心線平均粗さが３μｍ以下のものがよく、また成膜ガスとして使用するガスについては、メタン濃度をそれ以外のガス濃度に対する比を８%以上とするのがよい。また成膜のラスト０．５時間以上において、基板温度を基板表面の一部にグラファイトが堆積し始める温度から−２０℃〜＋２０℃の範囲で制御して成膜処理するのがよい。

前記した第１の実施の形態にかかる除電装置１は、全体として箱型形状であったが、もちろん本発明の除電装置は、その他の形状の装置としても具現化できる。図７に示した第２の実施の形態にかかる除電装置３１は、幅の大きなフィルムやガラス基板などが連続搬送される際に発生する静電気の除電用に適した装置構成を有しており、全体としてバー状の構造としている。そのため出射窓（天板３）の大きさは、０．５ｃｍ×１００ｃｍのものを使用している。また筐体３２自体は、第１の実施の形態にかかる除電装置１と同様、Ａｌ合金を採用している。なお第１の実施の形態にかかる除電装置１と同一の機能を持った部材には、同一の符号を付している。そしてこの第２の実施の形態にかかる除電装置３１においては、ターゲット１５の材料にＴｉを用い、また印加電圧を−１０ｋＶとしている。この第２の実施の形態にかかる除電装置３１においても、第１の実施の形態にかかる除電装置１と同様、数ｃｍおきに、適宜補強材を追加することで、出射窓（天板３）のみ、材料をＢｅに容易に変更できることはもちろんである。

図８には、第３の実施の形態にかかる除電装置４１の平面、及び側面断面を示している。この第３の実施の形態にかかる除電装置４１は、ガラスの円筒型のＸ線除電装置である。すなわちこの除電装置４１の筐体４２自体は、全て絶縁体である円筒形のガラスで構成されている。そして出射窓となる直径２ｃｍの天板４３の裏面には、ターゲット４４が設けられている。本実施の形態では、ターゲット４４に、厚さが１０μｍのタングステン膜を採用している。また底板４５の上面には、絶縁体４６を介して円盤状のエミッタ４７が設けられ、このエミッタ４７は、直流電源１４と接続されている。このエミッタ４７の構造は、前記した第１の実施の形態にかかるエミッタ１３と同じであり、その表面には、前記した薄膜２２と同一構成のダイヤモンド薄膜が形成されている。

除電装置４１の筐体４２は、前記したように全て絶縁材のガラスで構成されているため、天板４３以外の筐体４２の表面、すなわち外周、底板４５の外側は、Ａｌ合金からなる円筒形のケース４８で覆われており、このケース４８は接地されている。

この第３の実施の形態にかかる除電装置４１において、印加電圧を−１２ｋＶとしてエミッタ４７に直流電圧を印加すると、電子照射量は２ｍＡで、総発熱量は約２４Ｗであった。そして得られるＸ線量は、Ｘ線透過能がＢｅの１／５のＡｌを出射窓（天板）４３に使用しているにもかかわらず、従来のフィラメント−Ｂｅ出射窓タイプの装置と比べて２倍であった。

図９は、第４の実施の形態にかかる除電装置５１の平面、側面断面を示しており、この除電装置５１の筐体５２は、第３の実施の形態にかかる除電装置４１における天板４３以外は、筐体４２と同じガラス製の円筒形状をなしている。そしてこの第４の実施の形態にかかる除電装置５１においては、天板５３の材料に、Ｂｅを使用している。

この第４の実施の形態にかかる除電装置５１によれば、出射窓となる天板にＢｅを用いたので、Ｘ線量は従来と比べて１０倍となる。また発熱量は第３の実施の形態にかかる除電装置４１と同じ２４Ｗである。したがって、Ｘ線量が１／１０の従来装置と同等の発熱量であるので、同じＸ線量当たりの発熱量は従来のフィラメント−Ｂｅ出射窓タイプの装置よりも１／１０に削減されていることが分かる。

次にこの除電装置５１において、出射窓となる天板５３に、０．６ｍｍのＢｅ板、ターゲット４４にＭｏ、エミッタ４７に、表面がｎｍサイズのダイヤモンド粒子からなる薄膜を有する約０．２５ｃｍ^２のエミッタを使用した場合と、熱電子を放出するフィラメントをエミッタに使用している従来型の除電装置との、同じ照射距離における除電性能を評価した結果例を図１０のグラフに示した。

このグラフにおいては、横軸にエミッタ−ターゲット間の電位差（直流印加電圧）をとり、縦軸に除電性能の指標となる空気イオン対（正と負のイオン）生成量を単位消費電力当たりで示した。除電性能はイオン対生成量とは比例関係にあり、イオン対生成量が２倍であれば除電性能も２倍となる。上記仕様にかかる除電装置５１のイオン生成量は、印加電圧上昇と共に若干増加傾向にあり、何れの印加電圧域においても、エミッタとして熱電子を放出するフィラメントを使用している従来型の除電装置のイオン生成量の１０倍以上の発生量が得られている。

なお、前記した仕様の除電装置５１エミッタ電流密度は４〜６ｍＡ／ｃｍ^２のレベルであり、最適な範囲となっている。また、エミッタとターゲット間の距離は１０ｍｍ以下であり、非常にコンパクトな除電装置となっている。また除電装置全体で説明すると、比較した従来型除電装置よりも１０倍の除電性能を有している前記仕様になる除電装置５１の総消費電力は５〜６Ｗであり、これに対して従来型除電装置は６〜８Ｗであったので、同一イオン生成量に対しては、１／１０以下の消費電力で済み、極めて効率がよい。

なお図１０に示したデータは、従来型とほぼ同じ構造の除電装置でのイオン生成量の比較データであるが、図１、図７、図８において示した構造の除電装置においては、同様に大幅なイオン生成量の増加が見込まれる。

前記各実施の形態において使用したエミッタ１３、４７においては、導電性基板の上にダイヤモンドの薄膜を形成したものを用いていたが、導電性基板と薄膜との間に、カーボンナノウォールを介在させたエミッタを用いてもよい。

図１１にカーボンナノウォールを介在させたエミッタ６１の構造を示した。このエミッタ６１は、ニッケル基板６２の上にカーボンナノウォールからなる中間層６３が形成され、さらにその上に粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜６４が形成された構造を有している。

かかる構造を有するエミッタ６１は、例えば次のようなプロセスによって得られる。まずニッケル基板６２上に、ＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて、カーボンナノウォールの核を形成し、ついでこの核を成長させて花弁状の炭素薄片を備えたカーボンナノウォールを形成させる。形成前には、既述した薄膜形成のときと同様、ニッケル基板６２の表面を脱脂、洗浄を十分に行う。

反応ガスは炭素含有化合物気体と水素との混合気体であり、炭素含有化合物としては、メタン、エタン、アセチレンなどの炭化水素化合物、メタノール、エタノールなどの酸素含有炭化水素化合物、ベンゼン、トルエンなどの芳香族炭化水素、二酸化炭素およびこれらの混合物を用いることができる。そしてこれらの反応ガスの混合比、ガス圧、基板バイアス電圧などの条件を適切に選択することにより、基板温度７００℃〜１０００℃の範囲において、ニッケル基板６２上のスクラッチ近傍にカーボンナノウォールの核を形成することができる。

例えばメタン流量を５０ＳＣＣＭ、水素を５００ＳＣＣＭ流し、ＣＶＤ装置の処理容器内の圧力を７９９８Ｐａ（６０Ｔｏｒｒ）に維持し、ニッケル基板６２を１０ｒｐｍで回転させ、基板上の温度のばらつきを５℃以内となるように、基板を加熱するヒータを調整して成膜を行った。そして成膜の際の基板の温度は、９００℃〜１１００℃、好ましくは８９０℃〜９５０℃とし、成膜時間は１２０分として成膜処理を行った。これによって、まずニッケル基板６２上にカーボンナノウォールの核が発生し、この核が成長することによって花弁状の炭素薄片を備えたカーボンナノウォールを形成させてニッケル基板６２上にカーボンナノウォールの中間層６３を形成させることができ、さらに成長が進んで連続して当該中間層６３上に薄膜６４を形成することができる。

カーボンナノウォールは優れた電子放出特性をもつが、数ミクロンの凹凸があり均一なエミッションサイトを形成することが困難である。したがって微粒ダイヤモンドの薄膜をカーボンナノウォール上に成膜することで均一な表面形状を得ることができる。この場合のカーボンナノウォールの厚さは、膜の形成には至らない核のみの状態〜５μｍまでがよい。そしてこれを中間層としてその上に形成されるナノダイヤモンド膜の厚さは、０．５μｍ〜５μｍ、好ましくはカーボンナノウォール核、カーボンナノウォール膜を全面被覆する最低の厚さがよい。すなわち、ダイヤモンド膜はカーボンナノウォールの花弁状グラフェンシート集合体の包絡面を欠損がなく皮膜するまで成膜されるのがよい。

そしてナノダイヤモンド膜がカーボンナノウォールの凸凹をなめらかにするため、エミッタからの電子放出が平坦化される。また構造が平坦化するために電界集中が弱まるが、その効果以上に仕事関数が下がるために、しきい値電界強度を０．９Ｖ／μｍ以下にすることができる。

さらにカーボンナノウォールはダイヤモンドと比べると、比較的容易にあらゆる物質に成膜することができる。そのため金属基板上への微粒ダイヤモンドを成膜するための中間層としてカーボンナノウォールを生成させ、その上に微粒ダイヤモンドを堆積させた構造のエミッタは、導電性基板の材料の選択の幅が広がり、設計の自由度が高い。

図１１に示した構成を有するエミッタ６１のエミッタ膜のＸ線回折図を図１２に示した。既述のエミッタ１３と比較すると、グラファイト（ＣＮＷ）のピークが観察されている。そしてこのエミッタ６１のＩ−Ｖ特性を調べると、図１３のようになった。これによれば、しきい値電界強度は０．８４Ｖ／μｍであった。すなわちカーボンナノウォールの中間層を有するエミッタ６１によれば、カーボンナノウォールの中間層を持たない前出のエミッタ１３よりもさらにしきい値電界強度が下がっている。したがって電界集中の強化によって、さらに電子放出特性が向上する。また製造にあたっても触媒を必要とせず、しかも導電性基板の選択の幅が広がるというメリットがある。

以上説明したように、従来の熱電子方式の軟Ｘ線発生装置では、電子放出量がエミッタ温度、エミッタ表面積、およびエミッタ表面に印加される電界強度に依存する。ところが、エミッタは使用と共に「細り」による表面積の減少や表面温度の変化があるため、電子放出量は変動しやすい。この対策として、一般的に、エミッタとターゲット間にグリッド電極を設けて、電子電流が一定となるようグリッド電極に電圧を印加し制御している。
一方、本発明の除電装置では、発生する電子電流は、エミッタ面積とエミッタ表面近傍の電界強度のみに依存するため、これらには経時変化がなく、設計通りの電子電流が永続的に安定して得られる。つまり、グリッド電極のない簡単な構造でコンパクトかつ安価な軟Ｘ線発生装置とすることができる特徴を有する。もちろん、グリッド電極を設けても性能面でのデメリットはないので、従来と同様の３極構造（エミッタ、グリッド、ターゲット電極）にしても問題はない。

ナノダイヤモンド電子放出素子を応用した素子は、サブミリメートルオーダーの電子の発生斑があるために可視光の発光素子として用いる場合には、３極構造などの対策を講じ、平滑化する必要がある。しかし軟Ｘ線発生管による除電装置に応用した場合は、軟Ｘ線発生源からのＸ線の広がりが大きく、放射されるＸ線に斑が生じにくい。また軟Ｘ線によって被除電物周辺の大気をイオン化させることで除電を行なうため、発生イオンの移動範囲内でＸ線のばらつき（斑）があっても、機能的に問題がない。よって除電装置は、ナノダイヤモンドエミッタを用いた応用装置として最適である。

本発明は、特に半導体デバイスをはじめとする各種電子部品や、ＦＰＤ用ガラス基板、その他温度条件が厳格な環境の下で製造される製品の製造プロセスにおいて、これら部品、製品の静電気の除去に特に有用である。

第１の実施の形態にかかる除電装置の平面及び側面断面を示した説明図である。第１の実施の形態にかかる除電装置に用いたエミッタの構造を示す説明図である。図２のエミッタの薄膜のＸＲＤ回折図である。図２のエミッタの薄膜のラマンスペクトルを示すグラフである。図２のエミッタの薄膜からの電子放出特性を示すグラフである。図２のエミッタの薄膜におけるＳＰ３結合成分とＳＰ２結合成分の比と薄膜の電気抵抗率の変化を示すグラフである。第２の実施の形態にかかる除電装置の平面及び側面断面を示した説明図である。第３の実施の形態にかかる除電装置の平面及び側面断面を示した説明図である。第４の実施の形態にかかる除電装置の平面及び側面断面を示した説明図である。図９の除電装置と従来型の熱電子放出型の除電装置における印加電圧−イオン生成量の関係を示すグラフである。カーボンナノウォールを有するエミッタの構造を示す説明図である。図１１のエミッタのエミッタ膜のＸＲＤ回折図である。図１１のエミッタの薄膜からの電子放出特性を示すグラフである。

符号の説明

１、３１、４１、５１除電装置
２、３２、４２、５２筐体
１３、４７、６１エミッタ
１４直流電源
１５、４４ターゲット
２２、６４薄膜
６３カーボンナノウォール

Claims

対象物あるいはその近傍に軟Ｘ線を照射して、当該対象物の静電気を除去する除電装置であって、
電子放出部とターゲットを備えた軟Ｘ線発生装置を有し、
前記電子放出部の表面は、粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜で構成され、
前記薄膜は、ＸＲＤ測定においてダイヤモンドのＸＲＤパターンを有し、かつラマン分光測定を行った際に、膜中のｓｐ３結合成分とｓｐ２結合成分の比が、２．５〜２．７：１であり、
出射される軟Ｘ線のエネルギー域が５〜１５ｋｅＶであることを特徴とする、除電装置。
前記電子放出部の導電性基板と前記薄膜との間には、厚さが５μｍ以下のカーボンナノウォールが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の除電装置。
対象物あるいはその近傍に軟Ｘ線を照射して、当該対象物の静電気を除去する除電装置であって、
電子放出部とターゲットを備えた軟Ｘ線発生装置を有し、
前記電子放出部の表面は、粒径が２ｎｍ〜１００ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜で構成され、
前記電子放出部の導電性基板と前記薄膜との間には、厚さが５μｍ以下のカーボンナノウォールが設けられ、
出射される軟Ｘ線のエネルギー域が５〜１５ｋｅＶであることを特徴とする、除電装置。
電子放出部の印加電圧と、ターゲットとの間の電位差が５〜１５ｋＶであり、電子放出部の温度上昇が周辺環境温度比５０℃以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の除電装置。
軟Ｘ線が出射されるＸ線出射部の電位が−１００〜＋１００Ｖの範囲であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の除電装置。
前記電子放出部とターゲットは平行平板構造をなしていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の除電装置。
除電装置の筐体は、体積抵抗率が１０^９Ω・ｍ未満の導体で構成され、かつ静電遮蔽できる構造であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の除電装置。
軟Ｘ線を出射する出射用窓は、発生する軟Ｘ線の透過率が５％以上であることを特徴とする、請求項７に記載の除電装置。
前記出射用窓の窓材は、Ｂｅ、ガラス又はＡｌの少なくとも１種で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の除電装置。