WO2007119715A1

WO2007119715A1 - 軟ｘ線発生装置および除電装置

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Publication number: WO2007119715A1
Application number: PCT/JP2007/057890
Authority: WO
Inventors: Hitoshi Inaba; Yoshinori Okubo; Yoshiyuki Yagi; Shunichi Sato; Kazuhito Nishimura
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co., Ltd.; Casio Computer Co., Ltd.; Kochi Industrial Promotion Center
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2007-10-25
Also published as: US20090272915A1; US7907700B2; CN101449629A; JP5032827B2; TWI401999B; KR101400253B1; KR20080110620A; TW200746927A; CN101449629B; JP2007305565A

Abstract

　本発明は、軟Ｘ線を発生させる装置において、発熱量を抑え、寿命を延ばすことを目的としている。本発明においては、電子放出部であるエミッタとターゲットを備えた除電装置において、粒径が２ｎｍ～１００ｎｍのダイヤモンド粒子からなる薄膜がエミッタの表面に形成されている。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。直流電圧がエミッタに印加されると、しきい値電界強度が１Ｖ／μｍ以下で、エミッタから従来よりも多数の電子が放出され、しかもエミッタの温度も殆ど上昇せず、長寿命化が図ることができる。

Description

明細書

軟 X線発生装置および除電装置

技術分野

[0001] 本発明は、軟 X線発生装置、および帯電している物体力静電気を除去するための除電装置に関するものである。

背景技術

[0002] 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 1 A〜数百 A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、る。

[0003] 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、る。

[0004] 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 °C以上に加熱し、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カロ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 9 kVで、電子が衝突する部材の電位が OVの場合は、放出される電子の運動エネルギ一は 9keVとなる。

[0005] そして電子放出部力も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. 1〜10 ;ζ ΐη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ぐ特に厚みは限定されないターゲット材カも発生した 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。 [0006] このような発生原理に基づ!/、た X線発生装置にぉ、て、 X線量を増カロさせるためには、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力、あるいはフィラメント温度をさらに高温ィ匕させるかのいずれかを行う必要がある力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 X電圧）は全体の 10 〜25%程度にすぎない。

[0007] 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 (日本国特許第 27 49202号公報）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ヽターゲット膜が形成されてヽ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 (日本国特開 2005— 11635号公報）においては、フィラメントに通電し数百 °C以上にした後に、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 (日本国特開 2001— 266780号公報）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、る。

同様に特許文献 4 (日本国特開平 7— 211273号公報)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、る。

特許文献 1 :日本国特許第 2749202号公報

特許文献 2 :日本国特開 2005— 116354号公報

特許文献 3 :日本国特開 2001— 266780号公報

特許文献 4:日本国特開平 7— 211273号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら除電用の 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。

[0009] 特許 2749202号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を離し、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、つ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。

[0010] 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倍にまで高くなる。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、ところがある。特に搬送速度の速、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、電子量を増カロさせると必然的に発熱量も増大してしまうからである

[0011] 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!/、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、ェミッタの劣化抑制が必要となってくる。具体的には、ェミッタとしてフィラメント構造を採用している場合、使用に伴って細くなつていくことによる断線防止を図る必要がある。し力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。

[0012] また一方、 X線除電装置としては、棒状や平板状の X線発生が構造上最も望ま、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） X lOOcmL (高さ） X 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つてしまい、その結果本体は水冷機構を採用した水冷ィ匕構造を採らざるを得なくなり、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、このような水冷ィ匕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ィ匕を招、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。

[0013] 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°C前後まで容易に上昇する。既述したよう、フィラメント自身が細くなること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ぐ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ぐ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。し力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。それと同時に、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線管の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。

[0014] 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)発熱の制約条件力 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。

[0015] 本発明は力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、それによつて前記した課題を解決した軟 X線発生装置、及び当該軟 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。

課題を解決するための手段

[0016] 上記目的を達成するため、本発明の軟 X線発生装置は、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、好ましくは 5nm 〜50nmのダイヤモンド粒子カゝらなる薄膜で構成したことを特徴としている。

[0017] ダイヤモンドは、 NEA (負性電子親和力 Negative Electron Affinity)を有し、電子親和力が小さ、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。そして従来のような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、かつ低い電圧でも電子を容易に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。さらに発熱削減により、従来は高温のフィラメントおよび近傍の部材カも脱ガスが少な力もず有り、ターゲット表面への脱ガス付着による X線発生特性の劣化があった。これに対し本発明では、電子放出部からは発熱がないため、従来のような脱ガスによるターゲットの劣化が抑制される。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ぐ軟 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。

[0018] 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ぐ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 n mサイズのダイヤモンド粒子カゝ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ヽ電子放出素子として電子放出部を構成する必要がある。 [0019] 発明者らは力かる点に照らし、電子放出部の表面に形成される粒径が 2ηπ！〜 100 nm、より好ましくは 5nm〜50nmのサイズのダイヤモンド粒子力もなる薄膜として、次のような新しい薄膜を開発した。なお粒径が 2ηπ！〜 lOOnmというのは、発明者ら力後述の図 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。

[0020] すなわちこの薄膜は、 XRD測定にお!、てダイヤモンドの XRDパターンを有し、力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。これによつて後述するように、 ImAZcm²をもたらす電界強度が、 1 V/ μ m以下と、う条件をクリアした電子放出部を実現して、る。

[0021] 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°Cのとき、電子放出部の温度上昇が従来技術では通常 600°C以上 (周辺との温度差 575°C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°C以下 (周辺との温度差 55°C以下）とすることができ、し力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。

[0022] 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。し力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ぐダイヤモンド薄膜を成膜した後の冷却過程にぉ、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、 5 m以下が好ましぐまたその形状は、膜状であっても、散在した核状のものであってもよい。

[0023] 軟 X線発生装置として具体化する場合、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、かつ電子放出部の温度上昇が周辺環境温度比 50°C以下であることが好ましい。

[0024] また軟 X線が出射される X線出射部の電位が一 100〜+ 100Vの範囲であることが好ましい。

[0025] 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。

[0026] そして本発明の除電装置は、以上の軟 X線発生装置を有し、さらに出射される軟 X 線のエネルギー域が 5〜 15keVであることを特徴として!/、る。

[0027] 除電装置の筐体は、体積抵抗率が 10⁹ Ω ·πι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、。

[0028] 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。

[0029] 前記出射用窓の窓材は、 Be、ガラス又は A1の少なくとも 1種で構成されていてもよい。

発明の効果

[0030] 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、例えば除電装置として使用する場合、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。また電子放出部周辺の構成部材として耐熱性は必要なぐ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ィ匕が難しい Be以外に A1(A1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、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。

図面の簡単な説明

[0031] [図 1]第 1の実施の形態に力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 2]第 1の実施の形態に力かる除電装置に用いたェミッタの構造を示す説明図である。

[図 3]図 2のェミッタの薄膜の XRD回折図である。

[図 4]図 2のェ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 5]図 2のェ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 6]図 2のェ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。

[図 7]第 2の実施の形態に力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 8]第 3の実施の形態に力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]第 4の実施の形態に力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 10]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ーィオン生成量の関係を示すグラフである。

[図 11]カーボンナノウォールを有するェミッタの構造を示す説明図である。

[図 12]図 11のェミッタのェミッタ膜の XRD回折図である。

[図 13]図 11のェ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

[0032] 1、 31、 41、 51 除電装置

2、 32、 42、 52 筐体

13、 47、 61 ェミッタ

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ノレ

発明を実施するための最良の形態

[0033] 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、これらの図カゝらもゎカゝるように、本実施の形態にカゝかる除電装置 1は、全体として箱形の形状を有している。

[0034] この除電装置 1の真空容器となる筐体 2は、 A1 (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、電子放出部となるェミッタ 13 が設けられている。ェミッタ 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。

[0035] 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: L mのタングステンの薄膜を使用した。なおターゲット 15の材質はエネルギ一が 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ぐその他に例えばチタンなども使用することができる。ェミッタ 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。またェミッタ 13およびターゲット 15とも、サイズは 3cmX 15cmの長方形である。 A1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される）には、軟 X線透過能以外に熱伝達能が高、ことが好ま U、。

[0036] 次にェミッタ 13の構造について詳述する。本実施の形態で用いたェミッタ 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、 1〜10 μ m、好ましくは 1〜3 μ mがよい。

[0037] 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 3 m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、シリコン単結晶ウェハ（100)を 30mm X 30mmの方形に切り出し、例えば 1〜5 μ m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 3 m以下にする。

[0038] 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 lOrpmで回転させ、基板上の温度のばらつきを 5°C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°C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°C〜890°C、好ましくは 860°C 〜870°Cに上昇させて、 120分間成膜処理を行った。

[0039] 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力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との界面力も薄膜 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、ダラファイトのピークは確認できな力つた。

[0040] 次にその特徴をさらに詳しく言うと、

(1)表面は 5ηπ！〜 50nmの微粒が数十力も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 3 μ m以上 10 μ m以下であり、太さが 10〜： LOOnm程度の針状突起が、 1万本〜 10万本 Zmm²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、 2つのピークを有している。

[0041] 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. 95VZ mであった。なおこの薄膜 22が表面に形成されているェミッタ 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。

[0042] 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、グラフアイト成分に由来する sp2結合の比を調べると、 2. 5であつた。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 sp 2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 s p2 (グラフアイト）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 Zs_P2 結合成分比が、 2. 5から 2. 7の間で、良好なェミッションとして期待できる電気抵抗率である lk Ω cm〜20k Ω cmが得られることが判った。

[0043] 以上の特性を有する薄膜 22をェミッタ 13の表面に形成した本実施の形態に力かる除電装置 1によれば、ェミッタ 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。そしてェミッタ 13に対して一 9. 5kVの直流電圧を印カロした際、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 A1を使用しているので、結果的に透過率は Be比で約 1Z5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 X 1Z5)になった。

[0044] そしてェミッタ 13での温度上昇はほとんどなぐ数。 Cレベルであった。もっとも、電子電流による発熱分（5mAX 9kV=45W)は発熱する力出射窓（天板 3)、および筐体 2の材料に熱伝達率の高い A1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、本実施の形態に力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。し力しながら前記したように、本実施の形態に力かる除電装置 1によれば、温度上昇が小さいので、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少な!/、ものである。

[0045] 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 A1を使用した力 A1 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。

[0046] もちろん出射窓の材料に Beを用いてもよぐその場合には、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 1Z5に削減できることから、発熱総量を 9W(=45Z5)と、さらに大幅に軽減できるメリットがある。

[0047] 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ェ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 3 m以下のものがよぐ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アイトが堆積し始める温度から— 20°C〜 + 20°Cの範囲で制御して成膜処理するのがよ、。

[0048] 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つたが、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ィ匕できる。図 7に示した第 2の実施の形態に力かる除電装置 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、全体として棒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 X 100cmのものを使用している。また筐体 32自体は、第 1の実施の形態に力かる除電装置 1と同様、 A1合金を採用している。なお第 1の実施の形態に力かる除電装置 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の実施の形態に力かる除電装置 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の実施の形態に力かる除電装置 31においても、第 1 の実施の形態に力かる除電装置 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。

[0049] 図 8には、第 3の実施の形態に力かる除電装置 41の平面、及び側面断面を示している。この第 3の実施の形態に力かる除電装置 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 1 μ mのタンダ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を介して円盤状のェミッタ 47が設けられ、このェミッタ 47は、直流電源 14と接続されている。このェミッタ 4 7の構造は、前記した第 1の実施の形態に力かるェミッタ 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。

[0050] 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ヽるため、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、 A1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。

[0051] この第 3の実施の形態に力かる除電装置 41において、印加電圧を一 12kVとしてェミッタ 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 1Z5の A1を出射窓（天板) 43 に使用して、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。

[0052] 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の実施の形態に力かる除電装置 41における天板 4 3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の実施の形態に力かる除電装置 51においては、天板 53の材料に、 Beを使用している。

[0053] この第 4の実施の形態に力かる除電装置 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の実施の形態にか力る除電装置 41と同じ 24Wである。したがって、 X線量が 1Z10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出射窓タイブの装置よりも 1Z10に削減されていることが分かる。

[0054] 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、ェミッタ 47に、表面カ¾111サイズのダイヤモンド粒子からなる薄膜を有する約 0. 25cm²のェ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ェミツ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。

[0055] このグラフにおいては、横軸にェ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 (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。上記仕様に力かる除電装置 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、ェミツ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、る。

[0056] なお、前記した仕様の除電装置 51ェミッタ電流密度は 4〜6mAZcm²のレベルであり、最適な範囲となっている。また、ェ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 5 1の消費電力は 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、 1Z10以下の消費電力で済み、極めて効率がよい。なおこの比較においては、実施の形態の除電装置の電源系でのロス分が含まれていないため、実際には数分の一程度の差になるものと予測される。

[0057] 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力図 1、図 7、図 8において示した構造の除電装置においても、同様に大幅なイオン生成量の増加が見込まれる。

[0058] 前記各実施の形態において使用したェミッタ 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ェミッタを用いてもよ、。

[0059] 図 11にカーボンナノウォールを介在させたェミッタ 61の構造を示した。このェミッタ 61は、ニッケル基板 62の上にカーボンナノウォール力なる中間層 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力もなる薄膜 64が形成された構造を有して、る。

[0060] 力かる構造を有するェミッタ 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、っ、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ゥ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。

[0061] 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、ェタン、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°C〜 1000°C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。

[0062] 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 lOrpmで回転させ、基板上の温度のばらつきを 5°C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°C〜1100°C、好ましくは 890°C〜95 0°Cとし、成膜時間は 120分として成膜処理を行った。これによつて、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オールの中間層 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。

[0063] カーボンナノウォールは優れた電子放出特性をもつ力数ミクロンの凹凸があり均一なェ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〜 5 μ m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. 5 m〜5 μ m、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エ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。

[0064] 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、ェミッタ力の電子放出が平坦ィ匕される。また構造が平坦ィ匕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. 9ν μ m以下にすることができる。

[0065] 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ェミッタは、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。

[0066] 図 11に示した構成を有するェミッタ 61のェミッタ膜の X線回折図を図 12に示した。

既述のェミッタ 13と比較すると、グラフアイト (CNW)のピークが観察されている。そしてこのェミッタ 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. 84VZ / m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ェミッタ 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ェミッタ 1 3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、し力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。

[0067] 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、電子放出量がェミッタ温度、ェミッタ表面積、およびェミッタ表面に印加される電界強度に依存する。ところ力ェミッタは使用と共に細くなること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、ェ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、本発明の軟 X線発生装置ゃ除電装置では、発生する電子電流は、ェミッタ面積とェ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 (ェミッタ、グリッド、ターゲット電極）にしても問題はない。

[0068] 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、平滑ィ匕する必要がある。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線発生源力ゝらの X線の広がりが大きぐ放射される 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ィ匕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。よつて除電装置は、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。産業上の利用可能性

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。

Claims

請求の範囲

[1] 電子放出部とターゲットを備えた軟 X線発生装置であって、

前記電子放出部の表面は、粒径が 2ηπ！〜 lOOnmのダイヤモンド粒子力なる薄膜で構成されている。

[2] 請求項 1の軟 X線発生装置において、

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結合成分の比力 2. 5〜2. 7 : 1である。

[3] 請求項 1の軟 X線発生装置において、

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 5 μ m以下のカーボンナノウォールが設けられて、る。

[4] 請求項 1の軟 X線発生装置において、

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°C以下である。

[5] 請求項 1の軟 X線発生装置において、

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。

[6] 請求項 1の軟 X線発生装置において、

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。

[7] 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 2ηπ！〜 lOOnmのダイヤモンド粒子力なる薄膜で構成され、

この除電装置から出射される軟 X線のエネルギー域が 5〜15keVである。

[8] 請求項 7に記載の除電装置において、

除電装置の筐体は、体積抵抗率が 10⁹ Ω ·πι未満の導体で構成され、かつ静電遮蔽できる構造である。

[9] 請求項 7に記載の除電装置において、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。請求項 9に記載の除電装置において、

前記出射用窓の窓材は、 Be、ガラス又は A1の少なくとも 1種で構成されている