電圧発生ユニット、電圧発生装置及びこれを備えた荷電粒子加速器
【課題】 多段に積み上げた際に必要とされる機械的強度を確保できる電圧発生ユニット及びこれを多段に積み上げて形成された高電圧発生装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電圧発生ユニット５０は、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物により被覆されたユニット構造で形成され、その表面部に、隣接する他のユニット体と電気的接続を行う入出力端子群５２Ａ’５２Ｃ’及び５２Ａ〜５２Ｃが設けられている。そして、これら入出力端子群が形成されている表面部は、隣接する他のユニット体の表面部（接合面）と接合する接合面Ｓ１，Ｓ２とされており、これらの入出力端子群は、その端子面が上記接合面Ｓ１，Ｓ２と整列するようにして設けられている。
【解決手段】 本発明の電圧発生ユニット５０は、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物により被覆されたユニット構造で形成され、その表面部に、隣接する他のユニット体と電気的接続を行う入出力端子群５２Ａ’５２Ｃ’及び５２Ａ〜５２Ｃが設けられている。そして、これら入出力端子群が形成されている表面部は、隣接する他のユニット体の表面部（接合面）と接合する接合面Ｓ１，Ｓ２とされており、これらの入出力端子群は、その端子面が上記接合面Ｓ１，Ｓ２と整列するようにして設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばイオン注入装置における高電圧電源に用いられる電圧発生ユニット、電圧発生装置及びこれを備えた荷電粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）は、半導体製造用のイオン注入装置等の高電圧発生装置に用いられている。まず、従来のイオン注入装置の概略構成について図８を参照して説明する。
【０００３】
従来のイオン注入装置１０は、図８に示したように、負イオン源１１、アインツエルレンズ１２、質量分離電磁石１３、スリット１４、ファラデーカップ１５、静電ステアラ１６及び四重極静電型レンズ１７を備えている。
【０００４】
３０は荷電粒子加速器である。絶縁性ガスが充填されている高圧タンク１８の内部には、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが収納され、これら２つの加速管１９Ａ，１９Ｂの間には高電圧ターミナル２０が取り付けられている。この高電圧ターミナル２０には高電圧発生装置２１が接続され、高電圧ターミナル２０の内部には、イオンビームが通過するストリッパカナル２０Ａが設けられている。
【０００５】
そして、荷電粒子加速器３０の後段側には、四重極静電型レンズ２４と、偏向電磁石２５と、ファラデーカップ２６とが設けられている。
【０００６】
以上のような構成の従来のイオン注入装置１０は、負イオン源１１において金属あるいはガス種の負イオンを発生させて、これを例えば約２０〜３０ｋＶで引き出し加速する。加速された負イオンは、アインツエルレンズ１２で収束された後、質量分離電磁石１３に入射する。質量分離電磁石１３に入射した負イオンは、約９０°偏向されて所定の質量のイオンに分離される。分離された負イオンは、スリット１４を通過し、ファラデーカップ１５で電流を検出される。
【０００７】
一方、荷電粒子加速器３０においては、発振器２３からの交流電圧が昇圧トランス２２で昇圧され、これが高電圧発生装置２１に導入される。高電圧発生装置２１は、高電圧ターミナル２０で例えば７００ｋＶの高電圧を発生させる。
【０００８】
四重極静電型レンズ１７を通過し、グランド側加速管１９Ａに入射した負イオンは、高電圧発生装置２１により７００ｋＶの高電圧に昇圧されている高電圧ターミナル２０によって、最大７００ｋｅＶまで加速される。このエネルギーを持った負イオンは、ストリッパカナル２０Ａ内に導入され、このストリッパカナル２０Ａ内に予め供給された窒素ガス（あるいはアルゴンガス）分子と衝突する。
【０００９】
窒素分子と衝突した負イオンは、電子が剥ぎ取られ、さらに原子の外殻電子が剥ぎ取られて正イオンにチャージ変換される。例えば、１価の正イオンに変換されると、ストリッパカナル２０Ａを通過した当該１価の正イオンは、高電圧側加速管１９Ｂにおいて７００ｋＶの加速電圧を受けて７００ｋｅＶの加速エネルギーを得る。これにより、加速管１９Ａ，１９Ｂを通過したイオンは最大、７００ｋｅＶ＋７００ｋｅＶ＝１４００ｋｅＶのエネルギーを得てグランド電位に達する。
【００１０】
その後、イオンは、四重極静電型レンズ２４を通過し、偏向電磁石２５で偏向されて、ファラデーカップ２６に達する。ファラデーカップ２６の後方には、図示せずともプラテンあるいはイオン照射ステージが設けられており、そこに取り付けられた被照射基材（例えば半導体ウェーハ）に対して１４００ｋｅＶのエネルギーに達したイオンの照射処理がなされる。
【００１１】
ところで、上述した従来のイオン注入装置１０における高電圧発生装置２１としては、上述したようにコッククロフトウォルトン回路（多段倍電圧整流回路）を用いることができる。このコッククロフトウォルトン回路は、一段当たり複数のコンデンサと複数の整流用ダイオード素子等の回路構成素子群を、多段に組み上げることによって形成される。
【００１２】
例えば下記特許文献１には、図９及び図１０に示すように、各段の回路構成素子群を一段単位で合成樹脂材料により被覆した円盤状のモールド体２を一方向に複数積み重ねて形成した、コッククロフトウォルトン回路でなる高電圧発生装置１が開示されている。
【００１３】
各モールド体２は、合成樹脂製の円盤状の中空状容器３の中に、コッククロフトウォルトン回路一段分の回路構成素子群（図示略）を配置するとともに、エポキシ樹脂等の硬質の絶縁樹脂モールド材４を充填して一体成形したものである。そして、各円盤状モールド体２の間は、各段のモールド体２の下面の複数箇所に立設された金属製の電気回路端子５及び座金６によって電気的機械的に接続されている。
【００１４】
なお、図９において符号７は、各モールド体２に形成された貫通孔内に組み付けられた高圧側抵抗分圧器スタックボビン、符号８は、コッククロフトウォルトン回路の最上段に接続された共振コイルである。
【００１５】
【特許文献１】特開平７−３１２３００号公報
【特許文献２】特開平７−２６２９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した従来の高電圧発生装置１においては、円盤状のモールド体２の下面に立設された軸状の電気回路端子５（及び座金６）を介して各モールド体２の層間の電気的機械的接続を図るようにしている。
【００１７】
しかしながら、上記電気回路端子５がモールド体２の段積み状態を保持する構造となっているので、積み上げ段数が多くなると電気回路端子５に大きな機械的曲げ応力が作用することになり、これにより当該電気回路端子５が破損したり、モールド体２の本体部分が劣化する等して、構造的欠陥だけでなく電圧変動等の不具合を発生させることになる。このように従来の電圧発生装置１においては、段積み状態における機械的曲げ応力に対して十分な強度及び信頼性を確保することができないという問題がある。
【００１８】
一方、上記特許文献１には更に、多段に組み上げた倍電圧回路全体を一括して樹脂材料でモールドすることにより、機械的曲げ応力に対して必要な強度の確保を図る構成が開示されているが、この構造では、例えばある段における構成部品の交換等の作業が非常に面倒となり、結果的にメンテナンス作業性を悪化させるという問題を有している。
【００１９】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、多段に積み上げた際に必要とされる機械的強度を確保できる電圧発生ユニット、電圧発生装置及びこれを備えた荷電粒子加速器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の電圧発生ユニットは、多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれてなり、その表裏面に、隣接する他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群が設けられている。そして、上記入出力端子群が形成されている表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、この入出力端子群は、上記接合面とほぼ同一面を形成している。
【００２１】
この構成により、複数の電圧発生ユニットを積み上げた際、各電圧発生ユニットの表裏面（接合面）と、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合うことによって支持されると同時に、これら接合界面とほぼ同一面に形成された入出力端子群を介して各電圧発生ユニットが電気的に接続されることになる。
【発明の効果】
【００２２】
従って、本発明によれば、段積みされた各電圧発生ユニットはその接合面全域で機械的曲げ応力を受けることができるので、これら複数の電圧発生ユニットの段積み構造で形成された電圧発生装置の十分な機械的強度を確保できるとともに、入出力端子群に作用する機械的ストレスを緩和して、高電圧電源としての信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態によるイオン注入装置４０の概略構成図である。まず、このイオン注入装置４０の概要について説明する。
【００２５】
本実施の形態のイオン注入装置４０は、負イオン源１１、アインツエルレンズ１２、質量分離電磁石１３、スリット１４、ファラデーカップ１５Ａ、静電ステアラ１６、ファラデーカップ１５Ｂ及び四重極静電型レンズ１７を備えている。これら一連のユニットは真空配管で接続されているとともに、負イオン源１１、質量分離電磁石１３及び四重極静電型レンズ１７には真空排気ポンプ（図示略）が各々接続されており、例えば１．３×１０-4Ｐａ以下に配管内が排気されている。
【００２６】
４１は荷電粒子加速器である。密閉容器である高圧タンク１８の内部には絶縁性ガスが充填されている。高圧タンク１８の内壁面には、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが接続されており、これら２つの加速管１９Ａ，１９Ｂの間には高電圧ターミナル２０が取り付けられている。この高電圧ターミナル２０には高電圧発生装置４２が接続されている。この高電圧発生装置４２の詳細については、後述する。
【００２７】
高電圧ターミナル２０の内部には、イオンビームが通過するストリッパカナル２０Ａが設けられている。ストリッパカナル２０Ａは、グランド側加速管１９Ａの出射端と高電圧側加速管１９Ｂの入射端との間に接続されている。
【００２８】
荷電粒子加速器４１の後段側には、四重極静電型レンズ２４、偏向電磁石２５、ファラデーカップ２６及び、半導体ウェーハ等の被照射基材を収容したプラテン２７がそれぞれ設けられている。
【００２９】
このような構成のイオン注入装置４０においては、負イオン源１１において金属あるいはガス種の負イオンを発生させて、これを例えば２０〜３０ｋＶで引き出し加速する。加速された負イオンは、アインツエルレンズ１２で収束された後、質量分離電磁石１３に入射する。質量分離電磁石１３に入射した負イオンは、約９０°偏向されて所定の質量のイオンに分離される。分離された負イオンは、スリット１４、静電ステアラ１６を通過して、ファラデーカップ１５Ａ，１５Ｂで電流を検出される。
【００３０】
一方、荷電粒子加速器４１においては、発振器２３からの交流電圧が昇圧トランス２２で昇圧され、これが高電圧発生装置４２に導入される。高電圧発生装置４２は、高電圧ターミナル２０で例えば９９０ｋＶの高電圧を発生させる。
【００３１】
四重極静電型レンズ１７を通過し、グランド側加速管１９Ａに入射した負イオンは、高電圧発生装置４２により９９０ｋＶの高電圧に昇圧されている高電圧ターミナル２０によって、最大９９０ｋｅＶまで加速される。このエネルギーを持った負イオンは、ストリッパカナル２０Ａ内に導入され、このストリッパカナル２０Ａ内に予め供給された窒素ガス（あるいはアルゴンガス）分子と衝突する。
【００３２】
窒素分子と衝突した負イオンは、電子が剥ぎ取られ、さらに原子の外殻電子が剥ぎ取られて正イオンにチャージ変換される。例えば、１価の正イオンに変換されると、ストリッパカナル２０Ａを通過した当該１価の正イオンは、高電圧側加速管１９Ｂにおいて９９０ｋＶの加速電圧を受けて９９０ｋｅＶの加速エネルギーを得る。これにより、加速管１９Ａ，１９Ｂを通過したイオンは最大、９９０ｋｅＶ＋９９０ｋｅＶ＝１９８０ｋｅＶのエネルギーを得てグランド電位に達する。
【００３３】
その後、イオンは、四重極静電型レンズ２４を通過し、偏向電磁石２５で偏向されて、ファラデーカップ２６に達する。そして、ファラデーカップ２６の後方に設けられたプラテン２７内の被照射基材に対して、最大１９８０ｋｅＶのエネルギーに達したイオンの照射処理がなされる。
【００３４】
次に、本発明に係る荷電粒子加速器４１及び高電圧発生装置４２の詳細について図２〜図４を参照して説明する。ここで、図２は荷電粒子加速器４１の内部構成を示す平面図、図３は図２における［３］−［３］線方向断面図、図４は高電圧発生装置４２の全体構成図とその等価回路図をそれぞれ示している
【００３５】
本実施の形態の荷電粒子加速器４１は、高圧タンク１８の内部において、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが高電圧ターミナル２０を挟んで直線的に接続されている。グランド側加速管１９Ａ及び高電圧側加速管１９Ｂは、それぞれ加速電極４７Ａ及び加速電極４７Ｂを挟んで複数段に形成されている。加速管１９Ａ，１９Ｂの各段の高さは、一定とされている。
【００３６】
このうち、グランド側加速管１９Ａと並行して高電圧発生装置４２が配置されている。高電圧発生装置４２は、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）で構成されている。特に、この高電圧発生装置４２は、コッククロフトウォルトン回路の各段を形成する回路構成素子が、複数に分割された絶縁物により被覆された電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて構成されている（図４Ａ）。これら電圧発生ユニット５０の積み上げ方向は、グランド側加速管１９Ａの軸方向と平行とされている。なお電圧発生ユニット５０の詳細については後述する。
【００３７】
高電圧発生装置４２は、その最終段が高電圧ターミナル２０に接続されている。高電圧発生装置４２の最終段で発生する電圧は、これを形成する電圧発生ユニット５０の積み上げ段数によって決定される。本実施の形態では例えば、電圧発生ユニット５０が４５段積み上げられており、最終段において９９０ｋＶの高電圧を発生させるようにしている。
【００３８】
また、高電圧発生装置４２を形成する任意の段の電圧発生ユニット５０は、これと並行するグランド側加速管１９Ａの各段と電気的に連結されている。本実施の形態では、電圧発生ユニット５０の一段当たりの高さを加速管１９Ａの一段当たりの高さの１／３としている。従って、加速管１９Ａの一段当たりの高さは電圧発生ユニット５０の３段分の高さに相当するので、初段から３ｎ段目（ｎ＝１〜１５）の電圧発生ユニット５０がグランド側加速管１９Ａの各段の対応する加速電極４７Ａにそれぞれ接続されている（図２）。
【００３９】
これら電圧発生ユニット５０と加速電極４７Ａとの間の相互の電気的接続は、導電性の連結板４４を介して行われている（図２，図３）。連結板４４は円形の例えばアルミニウム合金等の軽量な金属板で形成されている。そして、連結板４４の外周部には、メンテナンススペースの縮小を目的として例えば一段おきに、電界緩和用の金属製のフープ４３Ａが一体的に設けられている。
【００４０】
フープ４３Ａは、グランド側加速管１９Ａと高電圧発生装置４２との間の連結位置で、これらグランド側加速管１９Ａ及び高電圧発生装置４２を囲んでいる。なお、フープ４３Ａ及び連結板４４は、高圧タンク１８の内壁面と高電圧ターミナル２０との間に架け渡された複数本の支持柱４５Ａ，４６Ａによって支持されている。
【００４１】
一方、高電圧側加速管１９Ｂもまた、同様な構成のフープ４３Ｂで囲まれている。フープ４３Ｂは、高電圧側加速管１９Ｂの各段一段おきに設けられている。フープ４３Ｂは、高圧タンク１８の内壁面と高電圧ターミナル２０との間に架け渡された複数本の支持柱４５Ｂ，４６Ｂによって支持されている。また、高電圧側加速管１９Ｂの各段の間には、分圧用抵抗４８がそれぞれ接続されている。
【００４２】
続いて、高電圧発生装置４２を形成する各段の電圧発生ユニット５０の詳細について図５及び図６をも参照して説明する。
ここで、図５は電圧発生ユニット５０の部品配置図で、Ａはユニット上面側の図、Ｂはユニット下面側の図である。そして、図６は電圧発生ユニット５０の回路構成を示す側断面図である。
【００４３】
電圧発生ユニット５０は、コッククロフトウォルトン回路の各段を形成する回路構成素子群を円盤状のユニット本体５１に組み込んで構成されている。各段の回路構成素子群として、本実施の形態では、３つのコンデンサＣ１〜Ｃ３と、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、３つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３とを有し、これらを接続する配線群はユニット本体５１に内蔵されている。ユニット本体５１の構成材料としては、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂等が挙げられる。
抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３は、負荷が短絡したときに電源に流れる短絡電流を抑制するものである。これらの抵抗はコンデンサと直列にする他、ダイオードと直列にしても同様の効果が得られる。もちろん、コンデンサとダイオードの両方に直列に抵抗を接続してもよい。
【００４４】
特に本実施の形態では、ユニット本体５１の表面（上面）及び裏面（下面）に回路構成部品を収容する孔が穿設されており、これらの孔に各部品をそれぞれ組み込んで電圧発生ユニット５０を構成するようにしている。また、回路構成部品を上記樹脂中に注形・モールドし、外部端子のみを樹脂表面に露出させて製作してもよい。
【００４５】
図６に示したように、ユニット本体５１の上面（表面）部及び下面（裏面）部はともに平坦に形成されており、その上層側及び下層側に隣接する（積み重ねられる）他の電圧発生ユニットの下面部及び上面部にそれぞれ接合する接合面Ｓ１及びＳ２とされている。
【００４６】
これら接合面Ｓ１，Ｓ２には、段積みされる各電圧発生ユニット５０間の電気的接続を行うための入出力端子群が設けられている。この入出力端子群は、上面側の接合面Ｓ１側に設けられた外部端子５２Ａ’，５２Ｂ’及び５２Ｃ’と、下面側の接合面Ｓ２側に設けられた外部端子５２Ａ，５２Ｂ及び５２Ｃとで構成されている（図６）。
【００４７】
これらのうち、外部端子５２Ａ’及び外部端子５２Ａは接合面Ｓ１及び接合面Ｓ２の周縁部にそれぞれ環状に形成されており、外部端子５２Ｂ’，５２Ｃ及び外部端子５２Ｂ，５２Ｃは、接合面Ｓ１及び接合面Ｓ２の内央側にそれぞれランド（島）状に形成されている。これら入出力端子群は、図６に示したように、端子面が接合面Ｓ１，Ｓ２とほぼ同一面を形成するようにして、これら接合面Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ設けられている。
【００４８】
なお、段積みされる電圧発生ユニット５０間の電気的接続を確保するために、これら入出力端子群の端子面を接合面Ｓ１，Ｓ２に対して若干量（例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）突出させてもよい。
【００４９】
一方、高電圧発生装置４２を形成するコッククロフトウォルトン回路は、図４Ｂに示したような回路構成を有しており、これらに対応する要素については図５及び図６の各図において同一の符号を付けている。
【００５０】
即ち、端子Ａ−Ａ’間には、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２とが直列接続され、端子Ｂ−Ｂ’間には、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とが直列接続されている。また、端子Ｃ−Ｃ’間には、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ３とが直列接続され、端子Ａ−Ｂ’間にはダイオードＤ１が接続されている。さらに、端子Ａ−Ｃ’間にはダイオードＤ３が、端子Ｂ’−Ａ’間にはダイオードＤ２が、端子Ｃ’−Ａ’間にはダイオードＤ４がそれぞれ接続されている。
【００５１】
なお、端子Ａ’，Ａは外部端子５２Ａ’，５２Ａに対応し、端子Ｂ’，Ｂは外部端子５２Ｂ’，５２Ｂに対応し、端子Ｃ’，Ｃは外部端子５２Ｃ’，５２Ｃに対応している（図５Ａ，Ｂ）。また、外部端子５２ＢはコンデンサＣ１に層間接続され、外部端子５２ＣはコンデンサＣ３に層間接続されている。さらに、内部端子５３ＡはコンデンサＣ２に、内部端子５３Ｂは外部端子５２Ｂ’に、内部端子５３Ｃは外部端子５２Ｃ’にそれぞれ層間接続されている。抵抗Ｒ２は配置上、接合面Ｓ１側と接合面Ｓ２側に分割して取り付けられて互いに直列に接続されているが、どちらか片方の面にのみ取り付けることも可能である。
【００５２】
なおまた、図４Ｂにおいて示した抵抗素子ＲＭ１〜ＲＭ３は、それぞれ電圧検出用のモニタ抵抗であり、電圧発生ユニット５０の中央部に形成された貫通孔５５内に配置されている（図５Ａ，Ｂ）。
【００５３】
そして、各電圧発生ユニット５０の周囲には、外部端子５２Ａよりも内周側に、組付具挿通用の挿通孔５４が等角度間隔で複数個同一円周上に形成されている。これらの挿通孔５４は、図４Ａに示したように電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて高電圧発生装置４２を組み上げる際、例えば総ネジや頭付きネジ等の絶縁物でなる複数本の軸状部材５８が挿通され、これら軸状部材５８の端部に螺着されるナット等の締付部材５９の緊締力で各段の電圧発生ユニット５０の接合面Ｓ１，Ｓ２同士を圧接し一体化するために用いられる。また、締付部材５９にはナットの他、コイルバネなど軸方向に伸縮する機構を設けることにより、電圧発生ユニット５０と軸状部材５８の温度係数の違いによる伸縮量の差を吸収している。
【００５４】
また、外部端子５２Ａ’の外周縁部には、図２又は図３を参照して説明した連結板４４に接続される連結端５６が突出形成されている。この連結端５６は全周にわたってフランジ状に形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。これにより、外部端子５２Ａ’は、この連結端５６及び連結板４４を介してグランド側加速器１９Ａの加速電極４７Ａに電気的機械的に接続される。
【００５５】
以上のように構成される電圧発生ユニット５０は、所定段数（本例では４５段）一方向に積み上げることによって、本実施の形態の高電圧発生装置４２を形成する。
【００５６】
本実施の形態の電圧発生ユニット５０によれば、多段式倍電圧整流回路（コッククロフトウォルトン回路）の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物により被覆されたユニット構造とされているので、ユニット単位でのメンテナンスが可能となり作業性を向上させることができる。また、高電圧発生装置４２の製造や設計変更等の自由度が高められる。
【００５７】
また、本実施の形態の電圧発生ユニット５０によれば、その表面部（接合面Ｓ１，Ｓ２）に、他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群（外部端子５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃ）が設けられており、これら入出力端子群の端子面がこれら接合面Ｓ１，Ｓ２とほぼ同一面を形成するように設けられているので、電圧発生ユニット５０を複数段積み重ねた際、同時に各段間における電気的導通を確保することができ、高電圧発生装置４２の製造が容易となる。
【００５８】
さらに、上記構成の電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて形成した本実施の形態の高電圧発生装置４２によれば、段積みされた各電圧発生ユニット５０の接合面Ｓ１，Ｓ２全域で機械的曲げ応力を受けることになり、これにより高電圧発生装置４２の十分な機械的強度を確保することができる。また、入出力端子群に作用する機械的ストレスが緩和されるので、高電圧電源としての信頼性を向上させることができる。
【００５９】
一方、本実施の形態の荷電粒子加速器４１によれば、高電圧発生装置４２がグランド側加速管１９Ａと平行に配置されているので、高圧タンク１８の小型化と容積低減が可能となり、これによりイオン注入装置４０の設置面積の省スペース化と、高圧タンク１８内に充填される絶縁性ガスの使用量低減等を図ることができる。
【００６０】
またこの時、高電圧発生装置４２で昇圧した電位を所定レベル毎に、グランド側加速管１９Ａの加速電極４７Ａに順次供給するようにしているので、このグランド側加速管１９Ａの各段に分圧用抵抗等の分圧機構を設けることなく各加速電極４７Ａ間に一定の電位を印加できるようになる。
【００６１】
更に、加速管１９Ａ，１９Ｂの各段についてその一段おきに金属製のフープ４３Ａ，４３Ｂを設けているので加速管外部への電場を和らげることができる。また、グランド側加速管１９Ａ側については金属フープ４３Ａで高電圧発生装置４２の周囲を囲むようにしているので、高電圧発生装置４２を形成する電圧発生ユニット５０を所定段数ずつ電場を分割し、この周囲の空間の電位を位置づけて安定した電圧発生を可能とする。
【００６２】
ところで、上述した構成の高電圧発生装置４２の最終段における発生電圧は、理論的には、電圧発生ユニット５０一段当たりの発生電圧とその積み上げ段数との積で決定される。しかし、各段の浮遊容量による昇圧ロスや各段の回路構成素子群の素子特性バラツキ、電圧発生ユニット５０間の製造バラツキ等により、必ずしも電位が等倍に昇圧されない場合がある。
【００６３】
このため、図４Ａに示したように、高電圧発生装置４２の任意の段（図では３段）毎の昇圧電位Ｖ１〜Ｖ１５にバラツキが生じ、一の昇圧電位が他の昇圧電位と大きく隔たる場合がある。こうなると、高電圧発生装置４２の周囲に異常な電場分布を形成したり、グランド側加速管１９Ａの加速電極４７Ａ間で放電を生じさせるおそれがある。
【００６４】
そこで、昇圧電位が他に比べて過大な段位置に対して、回路構成素子群を内含せず、かつこれを挟む電圧発生ユニット５０間を電気的に接続するだけのダミーユニット６０を電圧発生ユニット５０の代わりに積み重ねて、昇圧電位の調整を図ることも可能である。図４Ａに例示的に示すが、ダミーユニット６０の挿入位置は特に限定されず、全体として、昇圧電位Ｖ１〜Ｖ１５を平均化できる位置に挿入されるのが好ましい。
【００６５】
図７にダミーユニット６０の一構成例を示す。図６と対応する部分については同一の符号を付している。ダミーユニット６０は、電圧発生ユニット５０と同形、同厚の円盤状ユニット構造とされている。これにより、ダミーユニット６０の挿入によるユニット間の高さの変動を防止できる。
【００６６】
ダミーユニット６０の上下の接合面Ｓ１，Ｓ２には、電圧発生ユニット５０と同様な外部端子５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃが形成されている。ただし、ダミーユニット６０は、その上層及び下層に位置する電圧発生ユニット５０間の電気的接続のみを図る構成であるので、外部端子５２Ａ’−５２Ａ間、５２Ｂ’−５２Ｂ間、及び５２Ｃ’−５２Ｃ間をそのまま導通させる内部配線群６１Ａ〜６１Ｃのみが形成されている。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００６８】
例えば以上の実施の形態では、荷電粒子加速器４１としてイオン注入装置４０に用いられるイオンビームの加速器構造について説明したが、これに代えて、電子顕微鏡等に用いられる電子ビーム加速器及びその高電圧発生装置に対しても、本発明は適用可能である。
【００６９】
また、以上の実施の形態では、コッククロフトウォルトン回路として、図４Ｂに示したように２列並進型の回路構成を採用したが、単列構成のものも適用可能である。更に、昇圧回路がコンデンサ及びダイオードのみで形成される回路構成についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態による高電圧発生装置及び荷電粒子加速器が適用されるイオン注入装置４０の概略構成図である。
【図２】荷電粒子加速器４１の構成を示す平面図である。
【図３】図２における［３］−［３］線方向断面図である。
【図４】高電圧発生装置４２の全体図及びその等価回路図である。
【図５】高電圧発生装置４２を形成する各段の電圧発生ユニット５０の素子配置例を示す図であり、Ａは上面側、Ｂは下面側の図である。
【図６】電圧発生ユニット５０の回路構成例を模式的に示す側断面図である。
【図７】ダミーユニット５０の概略側断面図である。
【図８】従来のイオン注入装置の概略構成図である。
【図９】従来の高電圧発生装置の全体図である。
【図１０】従来の高電圧発生装置の要部断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１８ 高圧タンク
１９Ａ グランド側加速管
１９Ｂ 高電圧側加速管
２０ 高電圧ターミナル
２０Ａ ストリッパカナル
２２ 昇圧トランス
２３ 発振器
４０ イオン注入装置
４１ 荷電粒子加速器
４２ 高電圧発生装置
４３Ａ，４３Ｂ フープ
４４ 連結板
４７Ａ，４７Ｂ 加速電極
５０ 電圧発生ユニット
５１ ユニット本体
５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃ 外部端子
５４ 組付具挿通孔
５８ 軸状部材
５９ 締付部材
６０ ダミーユニット
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばイオン注入装置における高電圧電源に用いられる電圧発生ユニット、電圧発生装置及びこれを備えた荷電粒子加速器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）は、半導体製造用のイオン注入装置等の高電圧発生装置に用いられている。まず、従来のイオン注入装置の概略構成について図８を参照して説明する。
【０００３】
従来のイオン注入装置１０は、図８に示したように、負イオン源１１、アインツエルレンズ１２、質量分離電磁石１３、スリット１４、ファラデーカップ１５、静電ステアラ１６及び四重極静電型レンズ１７を備えている。
【０００４】
３０は荷電粒子加速器である。絶縁性ガスが充填されている高圧タンク１８の内部には、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが収納され、これら２つの加速管１９Ａ，１９Ｂの間には高電圧ターミナル２０が取り付けられている。この高電圧ターミナル２０には高電圧発生装置２１が接続され、高電圧ターミナル２０の内部には、イオンビームが通過するストリッパカナル２０Ａが設けられている。
【０００５】
そして、荷電粒子加速器３０の後段側には、四重極静電型レンズ２４と、偏向電磁石２５と、ファラデーカップ２６とが設けられている。
【０００６】
以上のような構成の従来のイオン注入装置１０は、負イオン源１１において金属あるいはガス種の負イオンを発生させて、これを例えば約２０〜３０ｋＶで引き出し加速する。加速された負イオンは、アインツエルレンズ１２で収束された後、質量分離電磁石１３に入射する。質量分離電磁石１３に入射した負イオンは、約９０°偏向されて所定の質量のイオンに分離される。分離された負イオンは、スリット１４を通過し、ファラデーカップ１５で電流を検出される。
【０００７】
一方、荷電粒子加速器３０においては、発振器２３からの交流電圧が昇圧トランス２２で昇圧され、これが高電圧発生装置２１に導入される。高電圧発生装置２１は、高電圧ターミナル２０で例えば７００ｋＶの高電圧を発生させる。
【０００８】
四重極静電型レンズ１７を通過し、グランド側加速管１９Ａに入射した負イオンは、高電圧発生装置２１により７００ｋＶの高電圧に昇圧されている高電圧ターミナル２０によって、最大７００ｋｅＶまで加速される。このエネルギーを持った負イオンは、ストリッパカナル２０Ａ内に導入され、このストリッパカナル２０Ａ内に予め供給された窒素ガス（あるいはアルゴンガス）分子と衝突する。
【０００９】
窒素分子と衝突した負イオンは、電子が剥ぎ取られ、さらに原子の外殻電子が剥ぎ取られて正イオンにチャージ変換される。例えば、１価の正イオンに変換されると、ストリッパカナル２０Ａを通過した当該１価の正イオンは、高電圧側加速管１９Ｂにおいて７００ｋＶの加速電圧を受けて７００ｋｅＶの加速エネルギーを得る。これにより、加速管１９Ａ，１９Ｂを通過したイオンは最大、７００ｋｅＶ＋７００ｋｅＶ＝１４００ｋｅＶのエネルギーを得てグランド電位に達する。
【００１０】
その後、イオンは、四重極静電型レンズ２４を通過し、偏向電磁石２５で偏向されて、ファラデーカップ２６に達する。ファラデーカップ２６の後方には、図示せずともプラテンあるいはイオン照射ステージが設けられており、そこに取り付けられた被照射基材（例えば半導体ウェーハ）に対して１４００ｋｅＶのエネルギーに達したイオンの照射処理がなされる。
【００１１】
ところで、上述した従来のイオン注入装置１０における高電圧発生装置２１としては、上述したようにコッククロフトウォルトン回路（多段倍電圧整流回路）を用いることができる。このコッククロフトウォルトン回路は、一段当たり複数のコンデンサと複数の整流用ダイオード素子等の回路構成素子群を、多段に組み上げることによって形成される。
【００１２】
例えば下記特許文献１には、図９及び図１０に示すように、各段の回路構成素子群を一段単位で合成樹脂材料により被覆した円盤状のモールド体２を一方向に複数積み重ねて形成した、コッククロフトウォルトン回路でなる高電圧発生装置１が開示されている。
【００１３】
各モールド体２は、合成樹脂製の円盤状の中空状容器３の中に、コッククロフトウォルトン回路一段分の回路構成素子群（図示略）を配置するとともに、エポキシ樹脂等の硬質の絶縁樹脂モールド材４を充填して一体成形したものである。そして、各円盤状モールド体２の間は、各段のモールド体２の下面の複数箇所に立設された金属製の電気回路端子５及び座金６によって電気的機械的に接続されている。
【００１４】
なお、図９において符号７は、各モールド体２に形成された貫通孔内に組み付けられた高圧側抵抗分圧器スタックボビン、符号８は、コッククロフトウォルトン回路の最上段に接続された共振コイルである。
【００１５】
【特許文献１】特開平７−３１２３００号公報
【特許文献２】特開平７−２６２９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した従来の高電圧発生装置１においては、円盤状のモールド体２の下面に立設された軸状の電気回路端子５（及び座金６）を介して各モールド体２の層間の電気的機械的接続を図るようにしている。
【００１７】
しかしながら、上記電気回路端子５がモールド体２の段積み状態を保持する構造となっているので、積み上げ段数が多くなると電気回路端子５に大きな機械的曲げ応力が作用することになり、これにより当該電気回路端子５が破損したり、モールド体２の本体部分が劣化する等して、構造的欠陥だけでなく電圧変動等の不具合を発生させることになる。このように従来の電圧発生装置１においては、段積み状態における機械的曲げ応力に対して十分な強度及び信頼性を確保することができないという問題がある。
【００１８】
一方、上記特許文献１には更に、多段に組み上げた倍電圧回路全体を一括して樹脂材料でモールドすることにより、機械的曲げ応力に対して必要な強度の確保を図る構成が開示されているが、この構造では、例えばある段における構成部品の交換等の作業が非常に面倒となり、結果的にメンテナンス作業性を悪化させるという問題を有している。
【００１９】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、多段に積み上げた際に必要とされる機械的強度を確保できる電圧発生ユニット、電圧発生装置及びこれを備えた荷電粒子加速器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の電圧発生ユニットは、多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれてなり、その表裏面に、隣接する他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群が設けられている。そして、上記入出力端子群が形成されている表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、この入出力端子群は、上記接合面とほぼ同一面を形成している。
【００２１】
この構成により、複数の電圧発生ユニットを積み上げた際、各電圧発生ユニットの表裏面（接合面）と、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合うことによって支持されると同時に、これら接合界面とほぼ同一面に形成された入出力端子群を介して各電圧発生ユニットが電気的に接続されることになる。
【発明の効果】
【００２２】
従って、本発明によれば、段積みされた各電圧発生ユニットはその接合面全域で機械的曲げ応力を受けることができるので、これら複数の電圧発生ユニットの段積み構造で形成された電圧発生装置の十分な機械的強度を確保できるとともに、入出力端子群に作用する機械的ストレスを緩和して、高電圧電源としての信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態によるイオン注入装置４０の概略構成図である。まず、このイオン注入装置４０の概要について説明する。
【００２５】
本実施の形態のイオン注入装置４０は、負イオン源１１、アインツエルレンズ１２、質量分離電磁石１３、スリット１４、ファラデーカップ１５Ａ、静電ステアラ１６、ファラデーカップ１５Ｂ及び四重極静電型レンズ１７を備えている。これら一連のユニットは真空配管で接続されているとともに、負イオン源１１、質量分離電磁石１３及び四重極静電型レンズ１７には真空排気ポンプ（図示略）が各々接続されており、例えば１．３×１０-4Ｐａ以下に配管内が排気されている。
【００２６】
４１は荷電粒子加速器である。密閉容器である高圧タンク１８の内部には絶縁性ガスが充填されている。高圧タンク１８の内壁面には、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが接続されており、これら２つの加速管１９Ａ，１９Ｂの間には高電圧ターミナル２０が取り付けられている。この高電圧ターミナル２０には高電圧発生装置４２が接続されている。この高電圧発生装置４２の詳細については、後述する。
【００２７】
高電圧ターミナル２０の内部には、イオンビームが通過するストリッパカナル２０Ａが設けられている。ストリッパカナル２０Ａは、グランド側加速管１９Ａの出射端と高電圧側加速管１９Ｂの入射端との間に接続されている。
【００２８】
荷電粒子加速器４１の後段側には、四重極静電型レンズ２４、偏向電磁石２５、ファラデーカップ２６及び、半導体ウェーハ等の被照射基材を収容したプラテン２７がそれぞれ設けられている。
【００２９】
このような構成のイオン注入装置４０においては、負イオン源１１において金属あるいはガス種の負イオンを発生させて、これを例えば２０〜３０ｋＶで引き出し加速する。加速された負イオンは、アインツエルレンズ１２で収束された後、質量分離電磁石１３に入射する。質量分離電磁石１３に入射した負イオンは、約９０°偏向されて所定の質量のイオンに分離される。分離された負イオンは、スリット１４、静電ステアラ１６を通過して、ファラデーカップ１５Ａ，１５Ｂで電流を検出される。
【００３０】
一方、荷電粒子加速器４１においては、発振器２３からの交流電圧が昇圧トランス２２で昇圧され、これが高電圧発生装置４２に導入される。高電圧発生装置４２は、高電圧ターミナル２０で例えば９９０ｋＶの高電圧を発生させる。
【００３１】
四重極静電型レンズ１７を通過し、グランド側加速管１９Ａに入射した負イオンは、高電圧発生装置４２により９９０ｋＶの高電圧に昇圧されている高電圧ターミナル２０によって、最大９９０ｋｅＶまで加速される。このエネルギーを持った負イオンは、ストリッパカナル２０Ａ内に導入され、このストリッパカナル２０Ａ内に予め供給された窒素ガス（あるいはアルゴンガス）分子と衝突する。
【００３２】
窒素分子と衝突した負イオンは、電子が剥ぎ取られ、さらに原子の外殻電子が剥ぎ取られて正イオンにチャージ変換される。例えば、１価の正イオンに変換されると、ストリッパカナル２０Ａを通過した当該１価の正イオンは、高電圧側加速管１９Ｂにおいて９９０ｋＶの加速電圧を受けて９９０ｋｅＶの加速エネルギーを得る。これにより、加速管１９Ａ，１９Ｂを通過したイオンは最大、９９０ｋｅＶ＋９９０ｋｅＶ＝１９８０ｋｅＶのエネルギーを得てグランド電位に達する。
【００３３】
その後、イオンは、四重極静電型レンズ２４を通過し、偏向電磁石２５で偏向されて、ファラデーカップ２６に達する。そして、ファラデーカップ２６の後方に設けられたプラテン２７内の被照射基材に対して、最大１９８０ｋｅＶのエネルギーに達したイオンの照射処理がなされる。
【００３４】
次に、本発明に係る荷電粒子加速器４１及び高電圧発生装置４２の詳細について図２〜図４を参照して説明する。ここで、図２は荷電粒子加速器４１の内部構成を示す平面図、図３は図２における［３］−［３］線方向断面図、図４は高電圧発生装置４２の全体構成図とその等価回路図をそれぞれ示している
【００３５】
本実施の形態の荷電粒子加速器４１は、高圧タンク１８の内部において、グランド側加速管１９Ａと高電圧側加速管１９Ｂとが高電圧ターミナル２０を挟んで直線的に接続されている。グランド側加速管１９Ａ及び高電圧側加速管１９Ｂは、それぞれ加速電極４７Ａ及び加速電極４７Ｂを挟んで複数段に形成されている。加速管１９Ａ，１９Ｂの各段の高さは、一定とされている。
【００３６】
このうち、グランド側加速管１９Ａと並行して高電圧発生装置４２が配置されている。高電圧発生装置４２は、コッククロフトウォルトン回路（多段式倍電圧整流回路）で構成されている。特に、この高電圧発生装置４２は、コッククロフトウォルトン回路の各段を形成する回路構成素子が、複数に分割された絶縁物により被覆された電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて構成されている（図４Ａ）。これら電圧発生ユニット５０の積み上げ方向は、グランド側加速管１９Ａの軸方向と平行とされている。なお電圧発生ユニット５０の詳細については後述する。
【００３７】
高電圧発生装置４２は、その最終段が高電圧ターミナル２０に接続されている。高電圧発生装置４２の最終段で発生する電圧は、これを形成する電圧発生ユニット５０の積み上げ段数によって決定される。本実施の形態では例えば、電圧発生ユニット５０が４５段積み上げられており、最終段において９９０ｋＶの高電圧を発生させるようにしている。
【００３８】
また、高電圧発生装置４２を形成する任意の段の電圧発生ユニット５０は、これと並行するグランド側加速管１９Ａの各段と電気的に連結されている。本実施の形態では、電圧発生ユニット５０の一段当たりの高さを加速管１９Ａの一段当たりの高さの１／３としている。従って、加速管１９Ａの一段当たりの高さは電圧発生ユニット５０の３段分の高さに相当するので、初段から３ｎ段目（ｎ＝１〜１５）の電圧発生ユニット５０がグランド側加速管１９Ａの各段の対応する加速電極４７Ａにそれぞれ接続されている（図２）。
【００３９】
これら電圧発生ユニット５０と加速電極４７Ａとの間の相互の電気的接続は、導電性の連結板４４を介して行われている（図２，図３）。連結板４４は円形の例えばアルミニウム合金等の軽量な金属板で形成されている。そして、連結板４４の外周部には、メンテナンススペースの縮小を目的として例えば一段おきに、電界緩和用の金属製のフープ４３Ａが一体的に設けられている。
【００４０】
フープ４３Ａは、グランド側加速管１９Ａと高電圧発生装置４２との間の連結位置で、これらグランド側加速管１９Ａ及び高電圧発生装置４２を囲んでいる。なお、フープ４３Ａ及び連結板４４は、高圧タンク１８の内壁面と高電圧ターミナル２０との間に架け渡された複数本の支持柱４５Ａ，４６Ａによって支持されている。
【００４１】
一方、高電圧側加速管１９Ｂもまた、同様な構成のフープ４３Ｂで囲まれている。フープ４３Ｂは、高電圧側加速管１９Ｂの各段一段おきに設けられている。フープ４３Ｂは、高圧タンク１８の内壁面と高電圧ターミナル２０との間に架け渡された複数本の支持柱４５Ｂ，４６Ｂによって支持されている。また、高電圧側加速管１９Ｂの各段の間には、分圧用抵抗４８がそれぞれ接続されている。
【００４２】
続いて、高電圧発生装置４２を形成する各段の電圧発生ユニット５０の詳細について図５及び図６をも参照して説明する。
ここで、図５は電圧発生ユニット５０の部品配置図で、Ａはユニット上面側の図、Ｂはユニット下面側の図である。そして、図６は電圧発生ユニット５０の回路構成を示す側断面図である。
【００４３】
電圧発生ユニット５０は、コッククロフトウォルトン回路の各段を形成する回路構成素子群を円盤状のユニット本体５１に組み込んで構成されている。各段の回路構成素子群として、本実施の形態では、３つのコンデンサＣ１〜Ｃ３と、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、３つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３とを有し、これらを接続する配線群はユニット本体５１に内蔵されている。ユニット本体５１の構成材料としては、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂等が挙げられる。
抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３は、負荷が短絡したときに電源に流れる短絡電流を抑制するものである。これらの抵抗はコンデンサと直列にする他、ダイオードと直列にしても同様の効果が得られる。もちろん、コンデンサとダイオードの両方に直列に抵抗を接続してもよい。
【００４４】
特に本実施の形態では、ユニット本体５１の表面（上面）及び裏面（下面）に回路構成部品を収容する孔が穿設されており、これらの孔に各部品をそれぞれ組み込んで電圧発生ユニット５０を構成するようにしている。また、回路構成部品を上記樹脂中に注形・モールドし、外部端子のみを樹脂表面に露出させて製作してもよい。
【００４５】
図６に示したように、ユニット本体５１の上面（表面）部及び下面（裏面）部はともに平坦に形成されており、その上層側及び下層側に隣接する（積み重ねられる）他の電圧発生ユニットの下面部及び上面部にそれぞれ接合する接合面Ｓ１及びＳ２とされている。
【００４６】
これら接合面Ｓ１，Ｓ２には、段積みされる各電圧発生ユニット５０間の電気的接続を行うための入出力端子群が設けられている。この入出力端子群は、上面側の接合面Ｓ１側に設けられた外部端子５２Ａ’，５２Ｂ’及び５２Ｃ’と、下面側の接合面Ｓ２側に設けられた外部端子５２Ａ，５２Ｂ及び５２Ｃとで構成されている（図６）。
【００４７】
これらのうち、外部端子５２Ａ’及び外部端子５２Ａは接合面Ｓ１及び接合面Ｓ２の周縁部にそれぞれ環状に形成されており、外部端子５２Ｂ’，５２Ｃ及び外部端子５２Ｂ，５２Ｃは、接合面Ｓ１及び接合面Ｓ２の内央側にそれぞれランド（島）状に形成されている。これら入出力端子群は、図６に示したように、端子面が接合面Ｓ１，Ｓ２とほぼ同一面を形成するようにして、これら接合面Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ設けられている。
【００４８】
なお、段積みされる電圧発生ユニット５０間の電気的接続を確保するために、これら入出力端子群の端子面を接合面Ｓ１，Ｓ２に対して若干量（例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度）突出させてもよい。
【００４９】
一方、高電圧発生装置４２を形成するコッククロフトウォルトン回路は、図４Ｂに示したような回路構成を有しており、これらに対応する要素については図５及び図６の各図において同一の符号を付けている。
【００５０】
即ち、端子Ａ−Ａ’間には、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２とが直列接続され、端子Ｂ−Ｂ’間には、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ１とが直列接続されている。また、端子Ｃ−Ｃ’間には、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ３とが直列接続され、端子Ａ−Ｂ’間にはダイオードＤ１が接続されている。さらに、端子Ａ−Ｃ’間にはダイオードＤ３が、端子Ｂ’−Ａ’間にはダイオードＤ２が、端子Ｃ’−Ａ’間にはダイオードＤ４がそれぞれ接続されている。
【００５１】
なお、端子Ａ’，Ａは外部端子５２Ａ’，５２Ａに対応し、端子Ｂ’，Ｂは外部端子５２Ｂ’，５２Ｂに対応し、端子Ｃ’，Ｃは外部端子５２Ｃ’，５２Ｃに対応している（図５Ａ，Ｂ）。また、外部端子５２ＢはコンデンサＣ１に層間接続され、外部端子５２ＣはコンデンサＣ３に層間接続されている。さらに、内部端子５３ＡはコンデンサＣ２に、内部端子５３Ｂは外部端子５２Ｂ’に、内部端子５３Ｃは外部端子５２Ｃ’にそれぞれ層間接続されている。抵抗Ｒ２は配置上、接合面Ｓ１側と接合面Ｓ２側に分割して取り付けられて互いに直列に接続されているが、どちらか片方の面にのみ取り付けることも可能である。
【００５２】
なおまた、図４Ｂにおいて示した抵抗素子ＲＭ１〜ＲＭ３は、それぞれ電圧検出用のモニタ抵抗であり、電圧発生ユニット５０の中央部に形成された貫通孔５５内に配置されている（図５Ａ，Ｂ）。
【００５３】
そして、各電圧発生ユニット５０の周囲には、外部端子５２Ａよりも内周側に、組付具挿通用の挿通孔５４が等角度間隔で複数個同一円周上に形成されている。これらの挿通孔５４は、図４Ａに示したように電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて高電圧発生装置４２を組み上げる際、例えば総ネジや頭付きネジ等の絶縁物でなる複数本の軸状部材５８が挿通され、これら軸状部材５８の端部に螺着されるナット等の締付部材５９の緊締力で各段の電圧発生ユニット５０の接合面Ｓ１，Ｓ２同士を圧接し一体化するために用いられる。また、締付部材５９にはナットの他、コイルバネなど軸方向に伸縮する機構を設けることにより、電圧発生ユニット５０と軸状部材５８の温度係数の違いによる伸縮量の差を吸収している。
【００５４】
また、外部端子５２Ａ’の外周縁部には、図２又は図３を参照して説明した連結板４４に接続される連結端５６が突出形成されている。この連結端５６は全周にわたってフランジ状に形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。これにより、外部端子５２Ａ’は、この連結端５６及び連結板４４を介してグランド側加速器１９Ａの加速電極４７Ａに電気的機械的に接続される。
【００５５】
以上のように構成される電圧発生ユニット５０は、所定段数（本例では４５段）一方向に積み上げることによって、本実施の形態の高電圧発生装置４２を形成する。
【００５６】
本実施の形態の電圧発生ユニット５０によれば、多段式倍電圧整流回路（コッククロフトウォルトン回路）の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物により被覆されたユニット構造とされているので、ユニット単位でのメンテナンスが可能となり作業性を向上させることができる。また、高電圧発生装置４２の製造や設計変更等の自由度が高められる。
【００５７】
また、本実施の形態の電圧発生ユニット５０によれば、その表面部（接合面Ｓ１，Ｓ２）に、他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群（外部端子５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃ）が設けられており、これら入出力端子群の端子面がこれら接合面Ｓ１，Ｓ２とほぼ同一面を形成するように設けられているので、電圧発生ユニット５０を複数段積み重ねた際、同時に各段間における電気的導通を確保することができ、高電圧発生装置４２の製造が容易となる。
【００５８】
さらに、上記構成の電圧発生ユニット５０を複数段積み上げて形成した本実施の形態の高電圧発生装置４２によれば、段積みされた各電圧発生ユニット５０の接合面Ｓ１，Ｓ２全域で機械的曲げ応力を受けることになり、これにより高電圧発生装置４２の十分な機械的強度を確保することができる。また、入出力端子群に作用する機械的ストレスが緩和されるので、高電圧電源としての信頼性を向上させることができる。
【００５９】
一方、本実施の形態の荷電粒子加速器４１によれば、高電圧発生装置４２がグランド側加速管１９Ａと平行に配置されているので、高圧タンク１８の小型化と容積低減が可能となり、これによりイオン注入装置４０の設置面積の省スペース化と、高圧タンク１８内に充填される絶縁性ガスの使用量低減等を図ることができる。
【００６０】
またこの時、高電圧発生装置４２で昇圧した電位を所定レベル毎に、グランド側加速管１９Ａの加速電極４７Ａに順次供給するようにしているので、このグランド側加速管１９Ａの各段に分圧用抵抗等の分圧機構を設けることなく各加速電極４７Ａ間に一定の電位を印加できるようになる。
【００６１】
更に、加速管１９Ａ，１９Ｂの各段についてその一段おきに金属製のフープ４３Ａ，４３Ｂを設けているので加速管外部への電場を和らげることができる。また、グランド側加速管１９Ａ側については金属フープ４３Ａで高電圧発生装置４２の周囲を囲むようにしているので、高電圧発生装置４２を形成する電圧発生ユニット５０を所定段数ずつ電場を分割し、この周囲の空間の電位を位置づけて安定した電圧発生を可能とする。
【００６２】
ところで、上述した構成の高電圧発生装置４２の最終段における発生電圧は、理論的には、電圧発生ユニット５０一段当たりの発生電圧とその積み上げ段数との積で決定される。しかし、各段の浮遊容量による昇圧ロスや各段の回路構成素子群の素子特性バラツキ、電圧発生ユニット５０間の製造バラツキ等により、必ずしも電位が等倍に昇圧されない場合がある。
【００６３】
このため、図４Ａに示したように、高電圧発生装置４２の任意の段（図では３段）毎の昇圧電位Ｖ１〜Ｖ１５にバラツキが生じ、一の昇圧電位が他の昇圧電位と大きく隔たる場合がある。こうなると、高電圧発生装置４２の周囲に異常な電場分布を形成したり、グランド側加速管１９Ａの加速電極４７Ａ間で放電を生じさせるおそれがある。
【００６４】
そこで、昇圧電位が他に比べて過大な段位置に対して、回路構成素子群を内含せず、かつこれを挟む電圧発生ユニット５０間を電気的に接続するだけのダミーユニット６０を電圧発生ユニット５０の代わりに積み重ねて、昇圧電位の調整を図ることも可能である。図４Ａに例示的に示すが、ダミーユニット６０の挿入位置は特に限定されず、全体として、昇圧電位Ｖ１〜Ｖ１５を平均化できる位置に挿入されるのが好ましい。
【００６５】
図７にダミーユニット６０の一構成例を示す。図６と対応する部分については同一の符号を付している。ダミーユニット６０は、電圧発生ユニット５０と同形、同厚の円盤状ユニット構造とされている。これにより、ダミーユニット６０の挿入によるユニット間の高さの変動を防止できる。
【００６６】
ダミーユニット６０の上下の接合面Ｓ１，Ｓ２には、電圧発生ユニット５０と同様な外部端子５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃが形成されている。ただし、ダミーユニット６０は、その上層及び下層に位置する電圧発生ユニット５０間の電気的接続のみを図る構成であるので、外部端子５２Ａ’−５２Ａ間、５２Ｂ’−５２Ｂ間、及び５２Ｃ’−５２Ｃ間をそのまま導通させる内部配線群６１Ａ〜６１Ｃのみが形成されている。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００６８】
例えば以上の実施の形態では、荷電粒子加速器４１としてイオン注入装置４０に用いられるイオンビームの加速器構造について説明したが、これに代えて、電子顕微鏡等に用いられる電子ビーム加速器及びその高電圧発生装置に対しても、本発明は適用可能である。
【００６９】
また、以上の実施の形態では、コッククロフトウォルトン回路として、図４Ｂに示したように２列並進型の回路構成を採用したが、単列構成のものも適用可能である。更に、昇圧回路がコンデンサ及びダイオードのみで形成される回路構成についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態による高電圧発生装置及び荷電粒子加速器が適用されるイオン注入装置４０の概略構成図である。
【図２】荷電粒子加速器４１の構成を示す平面図である。
【図３】図２における［３］−［３］線方向断面図である。
【図４】高電圧発生装置４２の全体図及びその等価回路図である。
【図５】高電圧発生装置４２を形成する各段の電圧発生ユニット５０の素子配置例を示す図であり、Ａは上面側、Ｂは下面側の図である。
【図６】電圧発生ユニット５０の回路構成例を模式的に示す側断面図である。
【図７】ダミーユニット５０の概略側断面図である。
【図８】従来のイオン注入装置の概略構成図である。
【図９】従来の高電圧発生装置の全体図である。
【図１０】従来の高電圧発生装置の要部断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１８ 高圧タンク
１９Ａ グランド側加速管
１９Ｂ 高電圧側加速管
２０ 高電圧ターミナル
２０Ａ ストリッパカナル
２２ 昇圧トランス
２３ 発振器
４０ イオン注入装置
４１ 荷電粒子加速器
４２ 高電圧発生装置
４３Ａ，４３Ｂ フープ
４４ 連結板
４７Ａ，４７Ｂ 加速電極
５０ 電圧発生ユニット
５１ ユニット本体
５２Ａ’〜５２Ｃ’，５２Ａ〜５２Ｃ 外部端子
５４ 組付具挿通孔
５８ 軸状部材
５９ 締付部材
６０ ダミーユニット
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれてなり、このユニット体の表裏面に、隣接する他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群が設けられた電圧発生ユニットにおいて、
前記入出力端子群が形成されている前記ユニット本体の表裏面は、前記隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする電圧発生ユニット。
【請求項２】
前記回路構成素子群として、少なくともコンデンサとダイオードとを含む請求項１に記載の電圧発生ユニット。
【請求項３】
前記回路構成素子群は、１段当たり３つのコンデンサと、４つのダイオードを有し、更に、各コンデンサに直列に抵抗が接続され、又は各ダイオードに直列に抵抗が接続され、又は、各コンデンサと各ダイオードのそれぞれに抵抗が直列に接続されている請求項２に記載の電圧発生ユニット。
【請求項４】
前記入出力端子群の一部の端子が、前記接合面の周縁部に設けられている請求項４に記載の電圧発生ユニット。
【請求項５】
多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれている電圧発生ユニットを、その表裏面に設けられた入出力端子群を介して複数段積み上げて形成した電圧発生装置において、
前記入出力端子群が形成されている前記電圧発生ユニットの表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする電圧発生装置。
【請求項６】
前記各段の電圧発生ユニットを貫通する組付具を有し、この組付治具の緊締力で各段の前記接合面が圧接されている請求項５に記載の電圧発生装置。
【請求項７】
荷電粒子を加速する加速管と、この加速管の各段に印加される加速電位の供給源としての電圧発生装置とを備えた荷電粒子加速器において、
前記電圧発生装置は、多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれている電圧発生ユニットを、その表裏面に設けられた入出力端子群を介して複数段積み上げて形成されているとともに、
前記入出力端子群が形成されている前記電圧発生ユニットの表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項８】
前記電圧発生ユニットの積み上げ方向が、前記加速管の軸方向に平行とされている請求項７に記載の荷電粒子加速器。
【請求項９】
前記加速管は加速電極を挟んで複数段に形成され、この加速管の各段と、前記電圧発生装置を形成する任意の段の電圧発生ユニットとが、互いに電気的に連結されている請求項８に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１０】
前記加速管の一段の高さが、前記電圧発生ユニットの複数段分の高さに相当している請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１１】
前記電圧発生ユニットと次段の電圧発生ユニットとの間には、前記回路構成素子群を内含せず、これら各電圧発生ユニット間を電気的に接続するだけのダミーユニットが介装されている請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１２】
前記ダミーユニットは、前記各段の電圧発生ユニットと同等の厚さで形成されている請求項１１に記載の電圧発生装置。
【請求項１３】
前記加速管と前記電圧発生装置との間の各々の連結部には、これらを囲む金属製のフープが接続されている請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１】
多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれてなり、このユニット体の表裏面に、隣接する他の電圧発生ユニットと電気的接続を行う入出力端子群が設けられた電圧発生ユニットにおいて、
前記入出力端子群が形成されている前記ユニット本体の表裏面は、前記隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする電圧発生ユニット。
【請求項２】
前記回路構成素子群として、少なくともコンデンサとダイオードとを含む請求項１に記載の電圧発生ユニット。
【請求項３】
前記回路構成素子群は、１段当たり３つのコンデンサと、４つのダイオードを有し、更に、各コンデンサに直列に抵抗が接続され、又は各ダイオードに直列に抵抗が接続され、又は、各コンデンサと各ダイオードのそれぞれに抵抗が直列に接続されている請求項２に記載の電圧発生ユニット。
【請求項４】
前記入出力端子群の一部の端子が、前記接合面の周縁部に設けられている請求項４に記載の電圧発生ユニット。
【請求項５】
多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれている電圧発生ユニットを、その表裏面に設けられた入出力端子群を介して複数段積み上げて形成した電圧発生装置において、
前記入出力端子群が形成されている前記電圧発生ユニットの表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする電圧発生装置。
【請求項６】
前記各段の電圧発生ユニットを貫通する組付具を有し、この組付治具の緊締力で各段の前記接合面が圧接されている請求項５に記載の電圧発生装置。
【請求項７】
荷電粒子を加速する加速管と、この加速管の各段に印加される加速電位の供給源としての電圧発生装置とを備えた荷電粒子加速器において、
前記電圧発生装置は、多段式倍電圧整流回路の各段を形成する回路構成素子群が、複数に分割された絶縁物製のユニット本体内に組み込まれている電圧発生ユニットを、その表裏面に設けられた入出力端子群を介して複数段積み上げて形成されているとともに、
前記入出力端子群が形成されている前記電圧発生ユニットの表裏面は、隣接する他の電圧発生ユニットの表面側又は裏面側と当接し合う接合面とされており、
前記入出力端子群は、前記接合面とほぼ同一面を形成していることを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項８】
前記電圧発生ユニットの積み上げ方向が、前記加速管の軸方向に平行とされている請求項７に記載の荷電粒子加速器。
【請求項９】
前記加速管は加速電極を挟んで複数段に形成され、この加速管の各段と、前記電圧発生装置を形成する任意の段の電圧発生ユニットとが、互いに電気的に連結されている請求項８に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１０】
前記加速管の一段の高さが、前記電圧発生ユニットの複数段分の高さに相当している請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１１】
前記電圧発生ユニットと次段の電圧発生ユニットとの間には、前記回路構成素子群を内含せず、これら各電圧発生ユニット間を電気的に接続するだけのダミーユニットが介装されている請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【請求項１２】
前記ダミーユニットは、前記各段の電圧発生ユニットと同等の厚さで形成されている請求項１１に記載の電圧発生装置。
【請求項１３】
前記加速管と前記電圧発生装置との間の各々の連結部には、これらを囲む金属製のフープが接続されている請求項９に記載の荷電粒子加速器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２８６３０２（Ｐ２００６−２８６３０２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０２４６２（Ｐ２００５−１０２４６２）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]