JP7555751B2 - 長尺筒状セラミック体 - Google Patents

Description

本開示は、長尺筒状セラミック体に関する。

従来、電子線露光装置において、光軸を含む周囲を真空に保つために、ライナーチューブが光学鏡筒内に設けられている。ライナーチューブの外周側には電磁レンズ、電磁偏向器などが配置されている。特許文献１には、セラミックス筒体の内面に、チタンメタライズ層と白金めっき層とが順次形成されたライナーチューブが記載されている。

しかし、特許文献１に記載のライナーチューブは、大径内面と小径内面とを接続する接続面の両端部で、メタライズ層が不連続になりやすい。さらに、チタンメタライズ層の厚みを十分に制御することが難しい。そのため、特許文献１に記載のライナーチューブを備える荷電粒子線装置は、電子ビームの偏向を制御することが難しい。

特開２００１－６５９４号公報

本開示の課題は、内周面にメタライズ層を形成しても、メタライズ層に不連続な部分が発生しにくい長尺筒状セラミック体を提供することである。

本開示に係る長尺筒状セラミック体は、筒状を有するセラミック本体を含み、セラミック本体の一方の端部近傍の内周面を第１内周部とし、セラミック本体の他方の端部近傍の内周面を第２内周部とし、第１内周部と第２内周部とを接続している部分を接続部とし、第２内周部が第１内周部よりも小さい径を有しており、第１内周部の径の中心と第２内周部の径の中心とが、同じ軸上に存在しており、接続部の内壁面の少なくとも一部が軸に対して傾斜している。

本開示に係るライナーチューブは、上記の長尺筒状セラミック体を含み、第１内周部の少なくとも接続部側の表面、第２内周部の少なくとも接続部側の表面、および接続部の内壁面にメタライズ層が積層されている。

本開示に係る荷電粒子線装置は、上記のライナーチューブと、ライナーチューブの外周側に電磁レンズまたは電磁偏向器とを含む。

本開示によれば、内周面にメタライズ層を形成しても、メタライズ層に不連続な部分が発生しにくい長尺筒状セラミック体を提供することができる。

（Ａ）は、本開示の一実施形態に係る長尺筒状セラミック体を示す説明図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＸ－Ｘ線で切断した際の断面を示す説明図である。 本開示の他の実施形態に係る長尺筒状セラミック体の断面を示す説明図である。

本開示に係る長尺筒状セラミック体は、上記のように、筒状を有するセラミック本体を含み、セラミック本体の一方の端部近傍の内周面を第１内周部とし、セラミック本体の他方の端部近傍の内周面を第２内周部とし、第１内周部と第２内周部とを接続している部分を接続部とする。本開示に係る長尺筒状セラミック体を、図１および２に基づいて説明する。

図１（Ａ）に示すように、一実施形態に係る長尺筒状セラミック体１は、筒状を有するセラミック本体１０を含む。本明細書において「長尺」とは、１００ｍｍ以上の長さを意味する。

セラミック本体１０は、セラミックスで形成されていれば限定されない。セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム、炭化珪素、炭窒化珪素、炭化チタン、炭窒化チタンなどを主成分とするセラミックスが挙げられる。本明細書において「主成分」とは、セラミックスを構成する成分の合計１００質量％における８０質量％以上を占める成分をいう。セラミックスに含まれる各成分の同定は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折装置で行い、各成分の含有量は、例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分光分析装置または蛍光Ｘ線分析装置により求めればよい。

主成分が酸化アルミニウムであるセラミックスの場合、例えば、マグネシウム、カルシウムおよび珪素が酸化物としてさらに含まれていてもよい。

セラミック本体１０の長さは、１００ｍｍ以上であれば限定されず、得られる長尺筒状セラミック体の用途に応じて適宜設定される。セラミック本体１０の長さは、例えば１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下程度である。セラミック本体１０の外径も、限定されず、得られる長尺筒状セラミック体の用途に応じて適宜設定される。セラミック本体１０の外径は、例えば１８ｍｍ以上４０ｍｍ以下程度である。セラミック本体１０のように単一の太さ（外径）を有していない場合は、最も細い部分の外径と最も太い部分の外径とが、上記のような範囲の長さを有していればよい。

セラミック本体１０の内周面について、図１（Ｂ）を参照して説明する。図１（Ｂ）に示すように、セラミック本体１０の一方の端部近傍に第１内周部１１が位置し、セラミック本体１０の他方の端部近傍に第２内周部１２が位置している。第１内周部１１は、セラミック本体１０の一方の端面からセラミック本体１０の全長の４５％程度までの長さを有している。第２内周部１２は、セラミック本体１０の他方の端面からセラミック本体１０の全長の３５％程度までの長さを有している。

第２内周部１２は、第１内周部１１よりも小さい径を有している。第２内周部１２の径Ｄ２は、第１内周部１１の径Ｄ１よりも小さければ限定されない。例えば、第２内周部１２の径Ｄ２は、第１内周部１１の径Ｄ１の５０％以上６５％以下程度の長さであるのがよい。第１内周部１１の径Ｄ１の中心と第２内周部１２の径Ｄ２の中心とは、同じ軸上に存在している。

一実施形態に係る長尺筒状セラミック体１において、第１内周部１１と第２内周部１２とは、接続部１３を介して接続されている。第１内周部１１の径Ｄ１と第２内周部１２の径Ｄ２との大きさが異なるため、接続部１３の一方の端部の径と他方の端部の径との大きさが異なる。したがって、接続部１３の内壁面の少なくとも一部が、第１内周部１１の径Ｄ１の中心と第２内周部１２の径Ｄ２の中心とを通る上記の軸に対して傾斜している。その結果、第１内周部１１、第２内周部１２および接続部１３の内壁面に、例えばメタライズ層を形成したとしてもメタライズ層に不連続な部分が発生しにくくなる。上記の軸に対する接続部１３の内壁面の傾斜角は特に限定されず、例えば４°以上１８°以下程度であるのがよい。

図２に示す他の実施形態に係る長尺筒状セラミック体１’のように、接続部１３’の内壁面が曲率を有していてもよい。このように、接続部１３’の内壁面が曲率を有していると、接続部１３’の両端部が第１内周部１１’および第２内周部１２’に緩やかに接続される。その結果、第１内周部１１’、第２内周部１２’および接続部１３’の内壁面に、例えばメタライズ層を形成したとしてもメタライズ層に不連続な部分がより発生しにくくなる。

接続部１３’の内壁面において、接続部１３’の両端部の少なくとも一方の端部は、この両端部に挟まれた接続部１３’の中間部よりも大きな曲率を有しているのがよい。このような構成の場合、第１内周部１１’、第２内周部１２’および接続部１３’の内壁面に、例えばメタライズ層が形成されたとしても、接続部１３’の両端部に形成されたメタライズ層に応力が集中しにくくなる。その結果、例えば、加熱および冷却が繰り返される環境下であっても、長期間にわたって使用することができる。

接続部１３’の中間部の内壁面の曲率半径は限定されない。接続部１３’の中間部の内壁面は、例えば２５０ｍｍ以上の曲率半径を有していてもよく、特に３００ｍｍ以上３５０ｍｍ以下程度の曲率半径を有しているのがよい。接続部１３’の端部の内壁面の曲率半径は、例えば、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下程度であるのがよい。

本開示の長尺筒状セラミック体を製造する方法は、限定されず、例えば下記のような手順で製造される。まず、酸化アルミニウム、炭化珪素、炭窒化珪素、炭化チタンまたは炭窒化チタン粉末を準備する。これらの粉末の純度は限定されない。これらの粉末は、例えば、９９質量％以上の純度を有しているのがよい。必要に応じて、セラミックスの原料として使用される他の粉末を使用してもよい。

以下、酸化アルミニウムを主成分とする長尺筒状セラミック体を得る場合について説明する。まず、主成分である酸化アルミニウム粉末（純度が９９質量％以上）と、水酸化マグネシウム、酸化珪素および炭酸カルシウムの各粉末とを粉砕用ミルに溶媒（イオン交換水）とともに投入して、粉末の平均粒径（Ｄ_５０）が１．５μｍ以下になるまで粉砕した後、有機結合剤と、酸化アルミニウム粉末を分散させる分散剤とを添加、混合してスラリーを得る。

ここで、上記粉末の合計１００質量％における水酸化マグネシウム粉末の含有量は０．３～０．４２質量％、酸化珪素粉末の含有量は０．５～０．８質量％、炭酸カルシウム粉末の含有量は０．０６０～０．１質量％であり、残部が酸化アルミニウム粉末および不可避不純物である。

有機結合剤としては、例えば、アクリルエマルジョン、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイドなどが挙げられる。

次に、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、冷間静水圧プレス成形装置を用いて、成形圧を７８ＭＰａ以上１２８ＭＰａ以下として加圧することにより円柱状の成形体を得る。成形体は、切削加工により軸方向に沿って貫通孔を形成する。

貫通孔を備えた成形体を、大気雰囲気中、例えば、焼成温度を１５００℃以上１７００℃以下、保持時間を４時間以上６時間以下として焼成することによって、円筒状の焼結体が得られる。得られた円筒状の焼結体の外周面に円筒研削を、内周面に内面研削をそれぞれ施すことによって、例えば、図１、２に示すような形状の長尺筒状セラミック体１，１’を得ることができる。

本開示の長尺筒状セラミック体は、例えば、ライナーチューブの部材として使用される。以下、一実施形態に係る長尺筒状セラミック体１を使用した場合を例に、ライナーチューブを説明する。

本開示の一実施形態に係るライナーチューブは、一実施形態に係る長尺筒状セラミック体１の第１内周部１１の少なくとも接続部１３側の表面、第２内周部１２の少なくとも接続部１３側の表面、および接続部１３の内壁面にメタライズ層が積層された構造を有している。

メタライズ層に含まれる金属は限定されず、例えば、モリブデン、タングステン、チタン、銀などを主成分とする金属が挙げられる。これらの金属の中でも、モリブデン、タングステンまたはチタンを主成分とする金属であるのがよい。モリブデン、タングステンおよびチタンは非磁性の金属であり、内部空間を電子ビームが通過しても、電子ビームに悪影響を与えにくくなる。さらに、モリブデン、タングステンおよびチタンは、比較的高い体積抵抗率を有しているため、渦電流を発生させる可能性が低くなる。

メタライズ層がモリブデンあるいはタングステンを主成分とする場合、メタライズ層を構成する金属元素１００質量％のうち、マンガンを１５質量％以上２５質量％以下、残部が主成分の金属であってもよい。メタライズ層が銀を主成分とする場合、メタライズ層を構成する金属元素１００質量％のうち銅を２５質量％以上３０質量％以下、チタンを０．８質量％以上２質量％以下、残部が銀であってもよい。

メタライズ層の厚みは限定されず、例えば１５μｍ以上４５μｍ以下程度であってもよい。メタライズ層の厚みの変動係数は、例えば０．２以下であるのがよい。メタライズ層の厚みの変動係数が０．２以下であれば、メタライズ層の厚みを薄くしても、厚みのばらつきが小さくなる。その結果、メタライズ層の不連続な部分が発生しにくくなり、導通不良の可能性が低減される。

一実施形態に係るライナーチューブは、メタライズ層の上に第１めっき層が、さらに積層されていてもよい。第１めっき層は、金、白金または銀を主成分とする金属で形成されている。このような第１めっき層に含まれる金、白金または銀は、高い標準電位を有するのに加えて錆びにくい。その結果、ライナーチューブの信頼性をより向上させることができる。

第１めっき層の厚みは限定されず、例えば、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下程度であってもよい。第１めっき層の算術平均粗さＲａは限定されず、例えば、１．１μｍ以上１．７μｍ以下程度であってもよい。第１めっき層の表面において、算術平均粗さＲａの変動係数は０．２以下（但し０を除く）であるのがよい。第１めっき層の表面がこのような算術平均粗さＲａの変動係数を有していると、第１めっき層の表面にガスが吸着しにくくなる。その結果、ライナーチューブの内部空間を真空にするための排気効率が向上する。

第１めっき層の２条平均平方根傾斜ＲΔｑは限定されず、例えば、０．４以上１．６以下であるとよい。さらに、第１めっき層の表面において、２条平均平方根傾斜ＲΔｑの変動係数は０．２５以下（但し０を除く）であるのがよい。第１めっき層の表面がこのような２条平均平方根傾斜ＲΔｑの変動係数を有していると、第１めっき層の表面にガスがより吸着しにくくなる。その結果、ライナーチューブの内部空間を真空にするための排気効率がより向上する。

算術平均粗さＲａおよび２乗平均平方根傾斜ＲΔｑは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、形状解析レーザ顕微鏡（（株）キーエンス製、超深度カラー３Ｄ形状測定顕微鏡（ＶＫ－Ｘ１１００またはその後継機種））を用いて測定することができる。

測定条件としては、照明方式を同軸照明、倍率を１２０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、カットオフ値λｆを無し、終端効果の補正を有り、測定対象とする第１めっき層の表面から１か所当たりの測定範囲を、例えば、２７９２μｍ×２０９３μｍに設定して、各測定範囲毎に、測定範囲の長手方向に沿って測定対象とする線を１本引いて、線粗さ計測を行えばよい。計測の対象とする線１本当たりの長さは、例えば、２６４０μｍである。測定範囲は、軸方向に沿って略等間隔に８箇所設定し、測定対象とする線は合計８本とする。算術平均粗さＲａおよび２乗平均平方根傾斜ＲΔｑのそれぞれの変動係数は、測定対象の線８本から得られる平均値および標準偏差から算出すればよい。

一実施形態に係るライナーチューブは、メタライズ層と第１めっき層との間に、ニッケルを主成分とする第２めっき層が、さらに積層されていてもよい。第２めっき層を積層させることによって、第１めっき層を形成している成分がメタライズ層に拡散するのを抑制することができる。第２めっき層の厚みは限定されず、例えば１μｍ以上３μｍ以下程度であってもよい。

メタライズ層、第１めっき層および第２めっき層の総厚みの変動係数は、例えば０．２以下であるのがよい。メタライズ層、第１めっき層および第２めっき層の総厚みの変動係数が０．２以下であれば、これらの層の厚みを薄くしても、厚みのばらつきが小さくなる。その結果、導通不良の可能性が低減される。

メタライズ層、第１めっき層および第２めっき層のそれぞれの厚みを測定する場合、まず、ライナーチューブを半円筒状になるように、切断または研削した後、断面を研磨する。この研磨によって得られるいずれか片側の研磨面を測定の対象として、軸方向に沿って１０箇所測定範囲を設定する。

測定範囲は、第１内周部、第２内周部および接続部の長さに応じて設定すればよい。長尺筒状セラミック体１’の場合、例えば、第１内周部１１’から３箇所、第２内周部１２’から５箇所、接続部１３’から２箇所、合計１０箇所測定範囲を設定し、測定範囲は各部分毎に略等間隔になるようにすればよい。そして、走査型電子顕微鏡を用い、倍率を、例えば、５００倍として測定の対象とする層の厚みを測定すればよい。メタライズ層の厚みの変動係数およびメタライズ層、第１めっき層および第２めっき層の総厚みの変動係数は、この測定範囲毎に得られる厚みの平均値および標準偏差から算出すればよい。以下、ライナーチューブの製造方法について説明する。

まず、長尺筒状セラミック体の第１内周部、第２内周部および接続部の内壁面に、例えば、モリブデンを主成分とし、マンガンを含むペーストを塗布する。ここで、ペーストの常温における粘度は、例えば２５０ｐ以下、特に、２１０ｐ以下であるとよい。次いで、水素：窒素の体積比率が７０～８０：３０～２０のフォーミングガス雰囲気で、温度を１３００℃～１４００℃として熱処理する。このよにすることによって、メタライズ層が積層されたライナーチューブを得ることができる。さらに、第１めっき層や第２めっき層を積層する場合は、いずれも無電解メッキによって積層すればよい。

本開示に係るライナーチューブは、例えば、電子顕微鏡、イオンビーム顕微鏡、電子ビーム露光装置、電子線マイクロアナライザー、イオンビーム装置、サイクロトロン、電子ビーム溶接機等の荷電粒子線装置の部材として採用される。このような荷電粒子線装置は、例えば、本開示の一実施形態に係るライナーチューブと、このライナーチューブの外周側に電磁レンズまたは電磁偏向器を含む。

１、１’ 長尺筒状セラミック体
１０ セラミック本体
１１、１１’ 第１内周部
１２、１２’ 第２内周部
１３、１３’ 接続部

Claims (9)

1. 筒状を有するセラミック本体を含み、
   該セラミック本体の一方の端部近傍の内周面を第１内周部とし、該セラミック本体の他方の端部近傍の内周面を第２内周部とし、該第１内周部と該第２内周部とを接続している部分を接続部とし、
   前記第２内周部が前記第１内周部よりも小さい径を有しており、
   前記第１内周部の径の中心と前記第２内周部の径の中心とが、同じ軸上に存在しており、
   前記接続部の内壁面が曲率を有し、
   前記接続部の両端部のうちの少なくとも一方の端部の内壁面が、前記両端部に挟まれた中間部の内壁面よりも大きな曲率を有し、
   前記中間部の内壁面が、２５０ｍｍ以上の曲率半径を有する、
   長尺筒状セラミック体、
   を含み、
   前記第１内周部の少なくとも前記接続部側の表面、前記第２内周部の少なくとも前記接続部側の表面、および前記接続部の内壁面にメタライズ層が積層された、ライナーチューブ。
2. 前記メタライズ層が、モリブデン、タングステンまたはチタンを主成分として含む、請求項１に記載のライナーチューブ。
3. 前記メタライズ層が、０．２以下の厚みの変動係数を有する、請求項１または２に記載のライナーチューブ。
4. 前記メタライズ層の上に、金、白金または銀を主成分とする第１めっき層が、さらに積層されている、請求項１～３のいずれかに記載のライナーチューブ。
5. 前記メタライズ層と前記第１めっき層との間に、ニッケルを主成分とする第２めっき層が、さらに積層されている、請求項４に記載のライナーチューブ。
6. 前記第１めっき層の表面が、０．２以下（但し０を除く）の算術平均粗さＲａの変動係数を有する、請求項４または５に記載のライナーチューブ。
7. 前記第１めっき層の表面が、０．２５以下（但し０を除く）の２乗平均平方根傾斜ＲΔｑの変動係数を有する、請求項４～６のいずれかに記載のライナーチューブ。
8. 前記メタライズ層、前記第１めっき層および前記第２めっき層の総厚みの変動係数が０．２以下である、請求項５～７のいずれかに記載のライナーチューブ。
9. 請求項１～８のいずれかに記載のライナーチューブと、該ライナーチューブの外周側に電磁レンズまたは電磁偏向器とを含む荷電粒子線装置。