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技術 ガスのイオン化のためのX線源

出願人 エスション・テクノロジーズ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
発明者 ゼバルト・トーマス
出願日 2016年2月24日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2017-545540
公開日 2018年3月8日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2018-506829
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 棒状支持体 制動材料 測定用電子機器 高電圧電線 アノード間隔 金属製カラー 高電場強度 電気絶縁状態
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題・解決手段

本発明は、電界放出ティップアレイを用いて真空室中ガスイオン化するためのX線源に関する。本発明によって、棒状高電圧イオン化装置の簡単で、コンパクトでかつ費用効果の高い構成形態及び配置を低エネルギーX線イオン化装置の利点と結びつける、ガスのイオン化のための装置が提供される。これは、フード(3)で及び支持プレート(4)の一部で取り囲まれている真空領域(3b)の内部に配置された電界放出ティップアレイ(1)であって、この際、電界放出ティップアレイ(4)は、支持プレート(4)に対して電気的に絶縁された状態で配置され及び高電圧源と接続されたカソードとして接続され、及びこの際、電界放出ティップアレイ(1)の上方中央に、X線を透過する伝送窓(2)がフード(3)内に配置されており、及びフード(3)がアノードとして接続されている電界放出ティップアレイ(1)によって達成される。

概要

背景

ガスイオン化のためのこのようなX線源は、棒状の支持体を用いて縦に列状に並べてありかつ必要な電圧が供給されている複数の個々のX線源からなる。この際、このX線源は、前記棒状装置の周囲空気をイオン化するように空気流中に設置される。このようにイオン化された空気は、クリティカル製造領域において静電気帯電中和のために利用できる。

例えば、このようなX線源は、物品上の静電気帯電をイオン化されたガスで中和するために、マイクロエレクトロニクス工業の製造施設クリーンルームにおいて大概は垂直の空気流中で使用できる。これは、静電気帯電が粒子堆積を増大させるために必要である。他方、未制御の放電微細構造ダメージを与える恐れがある。静電放電は、ESD(ElectroStatic Discharge)と称される。キャビンまたは他の空間内部で様々な電荷を持つイオンの所定のイオン密度を実現するためにはイオン発生器も使用され、この場合、通常は、イオンの生成直後にそれの再結合が始まる。

通常使用されるイオン化システムは、高電圧を用いてティップ電極のところで、ガス放電を介してイオンを生成するものである。この際、直流電圧だけでなく、交流電圧も、または所謂、パルス状直流電圧が使用される。それ故、陽イオン及び陰イオンの再結合を最小限にするために様々な方法が使用される。これらのイオン化装置の本質的な面の一つは、帯電の完全な中和を確実に調節するために、陽イオンと陰イオンのバランスのとれた比率を達成することである。

例えば、DE60034040T2(特許文献1)からは、チタン白金、チタン−白金化合物からまたは錆びない金属からまたは様々な合金からできている複数の相並んだ直立出針が使用されているイオン発生装置が知られている。これらの放出針は、ガラス繊維を含む不飽和ポリエステル化合物複合材料で取り囲まれている一つのシリンダ状コア部からなる。各々の針の先端は、ハウジングの外側で円錐形の窪み部中に達しており、この窪み部はグリッドによって覆われていることができる。この針先端部では、電子の生成を放出先端によって保証するように、強い電圧場または電位差が針に沿って生成される。このためには、針を、4.3〜6kVの高電圧を持つ高電圧源直接接続する。針の先端は、追加的に金フィルムで覆うことができる。

更に、DE69111651T2(特許文献2)からは、高電圧源と接続した少なくとも一つのコロナティップを備えたクリーンルームコロナ空気イオン化装置が知られている。このコロナティップは、一端を閉じた管の内部に存在し、そしてその周りには乾燥水富化ガスが流れるようにされている。このコロナ空気イオン化装置は、コロナイオン化装置に生じ得る硝酸アンモニウム濃縮などのマイクロコンタミネーションの除去を可能にする。

DE69818364T2(特許文献3)には、集積回路の製造時の金属汚染をできるだけ低いレベルに低下させるために、ゲルマニウムエミッタ電極が使用されている。このエミッタ電極は、球形の半径部分を端部とする先端を有している。このゲルマニウムエミッタ半導体であり、そしておおよそ0.1と100Ωcmとの間の抵抗率を有する。これを達成するために、このゲルマニウムエミッタには好ましくはアンチモンがドープされている。

US5729583(特許文献4)は、真空室中に配置されたカソード面上の放出ティップアレイを用いた診断X線撮影法用の低エネルギーミニチュアX線源に関し、この際、上記の放出ティップアレイの上には平坦ゲート装置が配置されている。付属するアノードは、内壁に沿って金属箔の形で及び放出ティップアレイの前のコリレーターの前まで真空室中にまで延在している。これらの放出ティップは、平坦なゲート装置中のシリンダ状開口部中に存在し、及び絶縁層が、カソード面とゲート装置との間に延在している。

放出ティップアレイのための類似の構造がUS3665241(特許文献5)から知られている。

DE102009031985A1(特許文献6)からは、円周に配置され及び空気流中に突き出ている、異なる電極長を持つ複数の電極対を備えたイオン化装置が知られており、この場合、陽イオン及び陰イオンの各流れは重複しない。このようにして、新しい結合によって中和されたイオンの量が減少し、そうして保護すべき部材のところでの放電効率が改善される。

しかし、大概の場合には、使用されるシステムは棒状であり、その場合、その下側には、高圧電源中に統合されたエミッタティップが外に突き出ている。

このようなシステムの典型的な一例は、US6807044B1(特許文献7)から知られている。この際、棒状の支持梁が、相並んで複数のティップ型エミッタ電極を支持しており、これらはそれぞれ一端が開放している管状シースの内部に収納されている。この支持梁はハウジングによって取り囲まれており、その中には必要な電圧源が収納されている。

類似の棒状イオン化装置は、WO2009/031764A2(特許文献8)及びJP2010218696A(特許文献9)にも記載されている。

このようなイオン化装置は、通常は、保護すべき部材、例えば半導体ウェハまたは他の敏感な製造デバイスに向けられた、超清浄空気装置によって発生した空気流中に配置される。

高電圧で作動するこのようなガス放電−イオン化システムは、一連の欠点を有する。例えば、発生した陰イオンと陽イオンとの間のバランスは、高圧電源に及びエミッタ電極の幾何学的配置に非常に強く依存する。すなわち、パルスまたは交流高電圧システムでは、時間的な順序で、陽イオン及び陰イオンが相次いで生成する。

直流電圧システムは、正の高電圧及び負の高電圧のために、位置をずらしたエミッタ電極を備える。それ故、各々の極性イオンは異なる位置で生成され、これは、極性分布不均衡を、それ故、影響領域において帯電プロセスを招く。各々の場合において、これは位置依存性の帯電プロセスである。

更に、極性バランスは経時的に安定していない。なぜならば、エミッタ電極が時間の経過の間に変化するためである。その結果、これらの高電圧イオン化装置は、絶えず監視及び再調節する必要がある。

異なるイオン濃度による影響の他に、しばしば15kVを超える、イオンを生成するエミッタでの高電圧の意図しない影響もある。

中和すべき材料がイオン化装置に接近するような取り付け状況では特に、一部では、電場の影響によりかなりの電位差が発生する。

更に、マイクロストラクチャ工業の高清浄製造にとって品質リスクを意味する粒状汚染物が、電気化学的変換プロセスによって、超清浄空気条件下にエミッタ電極自体のところに生じる。それ故、高電圧イオン化装置のエミッタは定期的に清浄する必要があり、これには、生産プロセス中断が伴う。

益々小さくなる構造の故に、静電気帯電に対する基材の敏感さは益々大きくなっている。現在の構造サイズでは、使用されている高電圧イオン化装置の限界は明白であり、他の可能性が模索されている。

例えば、低エネルギーX線を用いて空気イオンを生成するイオン化システムが市場入手可能である。この際、5keV未満エネルギー範囲を利用することが益々多くなっている。X線管が使用されているこれらのシステムは、これらが外側に対しては電場効果を全く持たず、そしてイオン極性バランスが常に完全に均衡されるという利点を持つ。これは、空気体積中のイオンが、電離放射線を用いて、電子が分離しそして対応して正の胴体イオンが残ることによって生成するためである。更に、汚染は生じない。

このシステムの欠点は、一方では利用されるX線管の比較的高い価格及び他方ではこのような管の短い耐用期間である。実際に使用されるシステムでは、熱カソードを備えたX線管が使用され、これは、一般的に、おおよそ1年の耐用期間を有する。これは、X線源を、一年ごとに時間及び費用をかけて交換する必要があることを意味する。

このシステムの他の欠点は、これが、かなり嵩張り、そのため大概は、装置中に組み入れるのが困難であり、また追加的に、熱カソードに必要な比較的煩雑な制御エレクトロニクス及び監視を含む点に見られる。

このようなインラインガスイオン化装置の一例は、WO01/84683A2(特許文献8)から知られている。このイオン化装置は、製造装置に通じた空気路を備えた圧縮空気源と、前記空気路中に組み込まれたX線源とを含む。

概要

本発明は、電界放出ティップアレイを用いて真空室中でガスをイオン化するためのX線源に関する。本発明によって、棒状高電圧イオン化装置の簡単で、コンパクトでかつ費用効果の高い構成形態及び配置を低エネルギーX線イオン化装置の利点と結びつける、ガスのイオン化のための装置が提供される。これは、フード(3)で及び支持プレート(4)の一部で取り囲まれている真空領域(3b)の内部に配置された電界放出ティップアレイ(1)であって、この際、電界放出ティップアレイ(4)は、支持プレート(4)に対して電気的に絶縁された状態で配置され及び高電圧源と接続されたカソードとして接続され、及びこの際、電界放出ティップアレイ(1)の上方中央に、X線を透過する伝送窓(2)がフード(3)内に配置されており、及びフード(3)がアノードとして接続されている電界放出ティップアレイ(1)によって達成される。

目的

これらのイオン化装置の本質的な面の一つは、帯電の完全な中和を確実に調節するために、陽イオンと陰イオンのバランスのとれた比率を達成することである

効果

実績

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請求項1

電界放出ティップアレイを用いて真空室中ガスイオン化するためのX線源であって、電界放出ティップ(19)を備えた電界放出ティップアレイ(1)が、フード(3)で及び支持プレート(4)の一部で取り囲まれている真空領域(3b)の内部に配置され、この際、電界放出ティップアレイ(4)は、支持プレート(4)に対して電気的に絶縁された状態で配置され及び高電圧源と接続されたカソードとして接続され、及びこの際、電界放出ティップアレイ(1)の上方中央に、X線を透過する伝送窓(2)がフード(3)内に配置されており、及びフード(3)がアノードとして接続されていることを特徴とするX線源。

請求項2

電界放出ティップアレイ(1)が平坦な直方形土台を含み、この土台から複数の放出ティップが突出していることを特徴とする、請求項1に記載のX線源。

請求項3

放出ティップが、尖頭円錐状またはロッド状に形成されており、直方形土台から垂直に突出しており、及び土台の面上に均等なアレイとして分布した状態で配置されていることを特徴とする、請求項2に記載のX線源。

請求項4

放出ティップが、丸められた端部を有することを特徴とする、請求項3に記載のX線源。

請求項5

電界放出ティップアレイ(1)が金属または半導体材料からできていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載のX線源。

請求項6

電界放出ティップアレイ(1)の電界放出ティップ(19)が絶縁材(20)によって取り囲まれ、この際、電界放出ティップ(19)の先端を取り囲む領域がクレーターの形に開放されるようになっており、及び電界放出ティップ(19)が、電界放出ティップ(19)の先端の方向に火山円錐様に先細りしている金属製カラー(21)中に通じており、このカラー(21)は、電界放出ティップ(19)をゲートとして同心的に取り囲みかつクレーター(23)を画定するようになっていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一つに記載のX線源。

請求項7

電界放出ティップ(19)がカラー(21)から突き出ていることを特徴とする、請求項6に記載のX線源。

請求項8

隣接するカラー(21)の間に窪み(24)が形成されており、この際、カラー(21)中に存在するクレーター(23)は除いて電界放出ティップアレイ(1)の表面全体金属層(24)で覆われていることを特徴とする、請求項6または7に記載のX線源。

請求項9

フード(3)が支持プレート(4)と真空気密に接続されており及び金属でできており、この際、支持プレート(4)が地電位と接続されていることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一つに記載のX線源。

請求項10

伝送窓(2)がベリリウムまたは他の適切な材料、例えばダイヤモンドでできており、及び真空側タングステンまたは他の制動材料コーティングされていることを特徴とする、請求項1に記載のX線源。

請求項11

電界放出ティップアレイ(1)が、真空領域(3b)内で電極(6)上に配置されており、そしてこれと電気的に接続されており、前記電極(6)が絶縁体(5)を貫通して延在していることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一つに記載のX線源。

請求項12

ゲート電極(8)が、ジャンパ(9)を介して、電界放出ティップ装置(1)の金属層(24)と導電性に接続されており、この際、ゲート電極(8)は、電極(6)の隣で絶縁体(5)を貫通していることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一つに記載のX線源。

請求項13

電界放出ティップ(19)のティップ半径が約2nmであることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つに記載のX線源。

請求項14

ゲート電極(8)に印加される電圧が20〜100Vであることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つに記載のX線源。

請求項15

X線源の作動電圧が<5kVであり、及び好ましくはカソードとして接続された電界放出ティップアレイ(1)のところで好ましくは−4980と−4900Vとの間であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一つに記載のX線源。

請求項16

棒状の中空支持異形材(10)からなる棒状複数パーツ型支持システムであって、金属製の支持異形材(11)が絶縁状態長手側上にはめ込まれており、かつ多数のX線源が、支持異形材(11)の長手延び方向に間隔を空けて相並んで固定されており、この固定は、電極(6、8)が支持異形材(10)中に延在し及び支持異形材(11)に沿って延在する高電圧電線(13、15)と接続するようにかつX線源が支持システム周囲環境突き出すようになっており、この際、支持異形材(11)の内部空間が高電圧絶縁材(17)で満たされている、棒状複数パーツ型支持システムでの、請求項1〜15のいずれか一つに記載のX線源の使用。

技術分野

0001

本発明は、電界放出ティップアレイを用いて真空室中ガスイオン化するためのX線源に関する。

背景技術

0002

ガスのイオン化のためのこのようなX線源は、棒状の支持体を用いて縦に列状に並べてありかつ必要な電圧が供給されている複数の個々のX線源からなる。この際、このX線源は、前記棒状装置の周囲空気をイオン化するように空気流中に設置される。このようにイオン化された空気は、クリティカル製造領域において静電気帯電中和のために利用できる。

0003

例えば、このようなX線源は、物品上の静電気帯電をイオン化されたガスで中和するために、マイクロエレクトロニクス工業の製造施設クリーンルームにおいて大概は垂直の空気流中で使用できる。これは、静電気帯電が粒子堆積を増大させるために必要である。他方、未制御の放電微細構造ダメージを与える恐れがある。静電放電は、ESD(ElectroStatic Discharge)と称される。キャビンまたは他の空間内部で様々な電荷を持つイオンの所定のイオン密度を実現するためにはイオン発生器も使用され、この場合、通常は、イオンの生成直後にそれの再結合が始まる。

0004

通常使用されるイオン化システムは、高電圧を用いてティップ電極のところで、ガス放電を介してイオンを生成するものである。この際、直流電圧だけでなく、交流電圧も、または所謂、パルス状直流電圧が使用される。それ故、陽イオン及び陰イオンの再結合を最小限にするために様々な方法が使用される。これらのイオン化装置の本質的な面の一つは、帯電の完全な中和を確実に調節するために、陽イオンと陰イオンのバランスのとれた比率を達成することである。

0005

例えば、DE60034040T2(特許文献1)からは、チタン白金、チタン−白金化合物からまたは錆びない金属からまたは様々な合金からできている複数の相並んだ直立出針が使用されているイオン発生装置が知られている。これらの放出針は、ガラス繊維を含む不飽和ポリエステル化合物複合材料で取り囲まれている一つのシリンダ状コア部からなる。各々の針の先端は、ハウジングの外側で円錐形の窪み部中に達しており、この窪み部はグリッドによって覆われていることができる。この針先端部では、電子の生成を放出先端によって保証するように、強い電圧場または電位差が針に沿って生成される。このためには、針を、4.3〜6kVの高電圧を持つ高電圧源直接接続する。針の先端は、追加的に金フィルムで覆うことができる。

0006

更に、DE69111651T2(特許文献2)からは、高電圧源と接続した少なくとも一つのコロナティップを備えたクリーンルームコロナ空気イオン化装置が知られている。このコロナティップは、一端を閉じた管の内部に存在し、そしてその周りには乾燥水富化ガスが流れるようにされている。このコロナ空気イオン化装置は、コロナイオン化装置に生じ得る硝酸アンモニウム濃縮などのマイクロコンタミネーションの除去を可能にする。

0007

DE69818364T2(特許文献3)には、集積回路の製造時の金属汚染をできるだけ低いレベルに低下させるために、ゲルマニウムエミッタ電極が使用されている。このエミッタ電極は、球形の半径部分を端部とする先端を有している。このゲルマニウムエミッタ半導体であり、そしておおよそ0.1と100Ωcmとの間の抵抗率を有する。これを達成するために、このゲルマニウムエミッタには好ましくはアンチモンがドープされている。

0008

US5729583(特許文献4)は、真空室中に配置されたカソード面上の放出ティップアレイを用いた診断X線撮影法用の低エネルギーミニチュアX線源に関し、この際、上記の放出ティップアレイの上には平坦ゲート装置が配置されている。付属するアノードは、内壁に沿って金属箔の形で及び放出ティップアレイの前のコリレーターの前まで真空室中にまで延在している。これらの放出ティップは、平坦なゲート装置中のシリンダ状開口部中に存在し、及び絶縁層が、カソード面とゲート装置との間に延在している。

0009

放出ティップアレイのための類似の構造がUS3665241(特許文献5)から知られている。

0010

DE102009031985A1(特許文献6)からは、円周に配置され及び空気流中に突き出ている、異なる電極長を持つ複数の電極対を備えたイオン化装置が知られており、この場合、陽イオン及び陰イオンの各流れは重複しない。このようにして、新しい結合によって中和されたイオンの量が減少し、そうして保護すべき部材のところでの放電効率が改善される。

0011

しかし、大概の場合には、使用されるシステムは棒状であり、その場合、その下側には、高圧電源中に統合されたエミッタティップが外に突き出ている。

0012

このようなシステムの典型的な一例は、US6807044B1(特許文献7)から知られている。この際、棒状の支持梁が、相並んで複数のティップ型エミッタ電極を支持しており、これらはそれぞれ一端が開放している管状シースの内部に収納されている。この支持梁はハウジングによって取り囲まれており、その中には必要な電圧源が収納されている。

0013

類似の棒状イオン化装置は、WO2009/031764A2(特許文献8)及びJP2010218696A(特許文献9)にも記載されている。

0014

このようなイオン化装置は、通常は、保護すべき部材、例えば半導体ウェハまたは他の敏感な製造デバイスに向けられた、超清浄空気装置によって発生した空気流中に配置される。

0015

高電圧で作動するこのようなガス放電−イオン化システムは、一連の欠点を有する。例えば、発生した陰イオンと陽イオンとの間のバランスは、高圧電源に及びエミッタ電極の幾何学的配置に非常に強く依存する。すなわち、パルスまたは交流高電圧システムでは、時間的な順序で、陽イオン及び陰イオンが相次いで生成する。

0016

直流電圧システムは、正の高電圧及び負の高電圧のために、位置をずらしたエミッタ電極を備える。それ故、各々の極性イオンは異なる位置で生成され、これは、極性分布不均衡を、それ故、影響領域において帯電プロセスを招く。各々の場合において、これは位置依存性の帯電プロセスである。

0017

更に、極性バランスは経時的に安定していない。なぜならば、エミッタ電極が時間の経過の間に変化するためである。その結果、これらの高電圧イオン化装置は、絶えず監視及び再調節する必要がある。

0018

異なるイオン濃度による影響の他に、しばしば15kVを超える、イオンを生成するエミッタでの高電圧の意図しない影響もある。

0019

中和すべき材料がイオン化装置に接近するような取り付け状況では特に、一部では、電場の影響によりかなりの電位差が発生する。

0020

更に、マイクロストラクチャ工業の高清浄製造にとって品質リスクを意味する粒状汚染物が、電気化学的変換プロセスによって、超清浄空気条件下にエミッタ電極自体のところに生じる。それ故、高電圧イオン化装置のエミッタは定期的に清浄する必要があり、これには、生産プロセス中断が伴う。

0021

益々小さくなる構造の故に、静電気帯電に対する基材の敏感さは益々大きくなっている。現在の構造サイズでは、使用されている高電圧イオン化装置の限界は明白であり、他の可能性が模索されている。

0022

例えば、低エネルギーX線を用いて空気イオンを生成するイオン化システムが市場入手可能である。この際、5keV未満エネルギー範囲を利用することが益々多くなっている。X線管が使用されているこれらのシステムは、これらが外側に対しては電場効果を全く持たず、そしてイオン極性バランスが常に完全に均衡されるという利点を持つ。これは、空気体積中のイオンが、電離放射線を用いて、電子が分離しそして対応して正の胴体イオンが残ることによって生成するためである。更に、汚染は生じない。

0023

このシステムの欠点は、一方では利用されるX線管の比較的高い価格及び他方ではこのような管の短い耐用期間である。実際に使用されるシステムでは、熱カソードを備えたX線管が使用され、これは、一般的に、おおよそ1年の耐用期間を有する。これは、X線源を、一年ごとに時間及び費用をかけて交換する必要があることを意味する。

0024

このシステムの他の欠点は、これが、かなり嵩張り、そのため大概は、装置中に組み入れるのが困難であり、また追加的に、熱カソードに必要な比較的煩雑な制御エレクトロニクス及び監視を含む点に見られる。

0025

このようなインラインガスイオン化装置の一例は、WO01/84683A2(特許文献8)から知られている。このイオン化装置は、製造装置に通じた空気路を備えた圧縮空気源と、前記空気路中に組み込まれたX線源とを含む。

先行技術

0026

DE60034040T2
DE69111651T2
DE69818364T2
US5729583
US3665241
DE102009031985A1
US6807044B1
WO2009/031764A2
JP2010218696A

発明が解決しようとする課題

0027

本発明は、目下、一方で、簡単でコンパクトでかつ費用効果の高い棒状の高電圧イオン化装置の構成形態及び配置を、低エネルギーX線イオン化装置の利点と結びつけ、かつ他方で既知X線システムの欠点を回避する、ガスのイオン化のための装置を提供するという課題に基づくものである。

課題を解決するための手段

0028

この課題は、フードで及び支持プレートの一部で取り囲まれている真空領域内に電界放出ティップを備えた電界ティップアレイが配置され、この際、電界放出ティップを備えた電界放出ティップアレイが、支持プレートに対して電気絶縁状態で配置され、かつカソードとして高電圧源と接続され、ここでフード中の電界放出ティップアレイの上方中央にX線を透過する伝送窓が配置されかつフードがアノードとして接続されることによって解決される。

0029

電界放出ティップアレイは、複数の電界放出ティップが突き出ている平坦な直方体形土台からなる。

0030

電界放出ティップは、好ましくは、尖頭円錐状に形成されているか、またはロッド状に形成されており、直方形の土台から垂直に突出しており、かつ土台の面上に均等なアレイとして分布した状態で配置される。

0031

格別に高い電界強度を避けるために、放出ティップは、本発明の発展形態の一つでは先端が丸められている。

0032

電界放出ティップアレイは、金属または半導体材料からできている。

0033

本発明の特定の形態の一つでは、電界放出ティップは、電界放出ティップの先端を取り囲む領域がクレーターの形で開いているようにかつ電界放出ティップが、電界放出ティップの先端への方向で火山円錐様に先細りしているカラー中に通じ、前記カラーは、同心的にゲートとして電界放出ティップを及びクレーターを画定するように絶縁体によって囲まれている。

0034

電界放出ティップの先端は、カラーから突き出でていてもよい。

0035

更に、隣接するカラーの間には窪みが形成され、この際、カラー中に存在するクレーターは除いて電界放出ティップアレイの表面全体金属層で覆われている。

0036

本発明の発展形態では、フードが真空気密に支持プレートと接続されており、そして金属でできており、この際、支持プレートは地電位に接続されている。

0037

更に、伝送窓はベリリウム面として形成され、これは、真空側が、タングステンなどの適当な制動材料コーティングされている。伝送面としてのベリリウムの代わりに、他の適切な材料、例えばダイヤモンドも使用できる。

0038

電界放出ティップアレイは、真空領域内部に電極上に配置され、そしてこれと電気的に接続され、この際、電極は絶縁体を貫通して延在している。

0039

アノード電流の制御を可能にするために、ゲート電極は、ジャンパを介して電界放出ティップ装置の金属層と電導性に接続されており、この際、ゲート電極は、電極の隣で絶縁体を貫通している。

0040

電界放射ティップのティップ半径は好ましくは2nmであり、そうして高い電界線密度がアノードの方向に達成される。

0041

更に、ゲート電極に印加される電圧は20〜100Vであり、X線源の作動電圧は<5kVであり、好ましくは、カソードとして接続した電界放出ティップアレイのところで−4.980と−4.900Vとの間である。

0042

小型化されたX線源は、棒状の中空支持異形材からなる棒状複数パーツ型支持システムであって、金属製の支持異形材が絶縁状態長手側上にはめ込まれており、かつ多数のX線源が、支持異形材の長手の延び中に間隔を空けて相並んで固定されており、この固定は、電極が支持異形材中に延在し及び支持異形材に沿って走る高電圧電線と接続するようにかつX線源が支持システムの周囲に突き出すようになっており、この際、支持異形材の内部空間が高電圧絶縁材で満たされている、棒状複数パーツ型支持システムと使用するのに格別適している。

0043

それ故、本発明では、それ自体は他の用途で知られているマイクロ−ティップ−アレイをカソードとして利用する小型化された低エネルギーX線源が使用される。ティップでの高電界強度下量子力学的トンネル効果に基づいて電子を生成するこのようなティップアレイをカソードとして使用することで、数年間の耐用期間を保証できる。小型の部品の大量製造のために設計されたマイクロエレクトクスの製造プロセスの利用も可能になり、そのためコストが許容可能なものとなる。

0044

また、X線源が小型化されることにより、信頼できる棒状形態の構成が可能となり、そうして、簡単な電源及び監視用電子機器を、任意多数の一列に並べることができるX線源のために統合できるようになる。

0045

本発明を以下に実施例に基づいてより詳しく説明する。

図面の簡単な説明

0046

真空領域内部に電界放出ティップアレイを備えた小型化されたX線源。
「ゲート」装置を備えた図1のX線源。
棒状支持システムの部材としての図1aのX線源の設計。
図1の電界放出ティップアレイの横断面図。

実施例

0047

図1には、小型化された低エネルギーX線源が示されており、これには、電界放出ティップアレイ1が備えられており、この電界放出ティップアレイ1は、絶縁体5の上方で電極6上に取り付けられるかまたは絶縁体5上に取り付けられる。電界放出ティップアレイ1と電極6(カソード)との間の電気的及び機械的接続は、チップボンディングによってまたは電導性接着剤を用いて行われる。絶縁体5は、金属製支持プレート4中に面一にかつ真空気密にはめ込まれているか、または支持プレート4上に配置され、この場合、電極6は絶縁体5を貫通している。電極6には、適当な高電圧源の必要なカソード電圧が供給される。

0048

電界放出ティップアレイ1は、金属または半導体材料製の直方形土台を含み、この土台から複数の放出ティップが垂直に突き出ており、これらの放出ティップは、互いに規則的な間隔をあけてアレイ状に配置されている。放出ティップは、尖頭円錐状にまたはロッド状に形成されていることができ、そして丸められた端部を有することができる。このような電界放出ティップアレイ1は、半導体技術から知られているように微細構造化技術の製造方法を用いて製造できる。

0049

電界放出ティップアレイ1を囲む真空領域3bを形成するためには、この領域3bを金属でできたフード3によって取り囲み、このフード3は、支持プレート4と電導性及び真空気密に接続されている。フード3はアノードとして働き、そして接地される。本発明によるX線源の構成は、基本的には、TO−5またはTO−39ハウジングのような、パワートランジスター用のハウジングの構成と一致している。

0050

これまで使用された熱カソードと比べて明らかに向上した電界放出ティップアレイ1の耐用期間及び寿命を保証するためには、残留ガス原子によるいかなるスパッタリングプロセスも避ける必要がある。これは、真空が高いほど、耐用期間が長くなることを意味する。それ故、プラクチスでは、<10−6hPaの真空を提供するのがよい。

0051

電界放出ティップアレイ1の上方の中央には、孔3aがフード3中に存在し、この孔3aは、X線源のための通常の伝送窓2、例えばベリリウム面で閉塞され及び真空側では制動材料としてのタングステンでコーティングされており、この際、他の適切な材料も制動材料として使用できる。孔3aは、X線を透過できる他の適当な種類の窓で閉塞することもできる。フード3及び支持プレート4は同じ電位にあり、そして高電圧源のアノード電位と、すなわち大地または地電位と接続されている。

0052

伝送窓2は、X線を良好に透過できる他の材料、例えばダイヤモンドからできていることもできる。更に、良好な廃熱のために支持プレート4を(ここでは図示しない)棒状支持体ネジ締めてまたは他の手段で結合できるようにするために、支持プレート4には、固定用孔4aが設けられている。

0053

十分な高電圧沿面距離を保証するために、電極6は、絶縁体5の下方の大気側では絶縁材7で覆われている。

0054

電界放出ティップアレイ1には、図1a及び図3に図示するように、アノード電流の制御のために「ゲート」装置を備えることもできる。

0055

このような「ゲート」装置は、別個のゲート電極8によって実現でき、これは、ワイヤボンディングによって及びジャンパ9の形成によって電界放出ティップ装置1と電導的に接続されている。ゲート電極8は、電極6の隣に配置され、絶縁体5を貫通しかつ真空領域3b中に突き出ている。絶縁体5の下方、すなわち大気側では、ゲート電極8も同様に絶縁材7で覆われている。それ以外では、この変形は図1の設計と同じである。

0056

電位分布の理由から、電界放出ティップアレイ1のティップとアノード、すなわち伝送窓2のベリリウム面との間の間隔は、電界放出ティップアレイ1のティップと、以下に記載のカラーによって形成されるゲート電極9との間の間隔よりもかなり長くとるべきである。ティップ−ゲート間隔は100〜500nmである。これは、アノード間隔は少なくとも100〜500μmであり、この際、この間隔は、機械的な取り扱い性の理由からむしろ1〜3mmで選択される。

0057

図3には、規則的なアレイとして配置された電界放出ティップ19を備えた、土体18上に構築された図1に相当する電界放出ティップアレイ1の一部の断面を示す。電界放出ティップ19は、本質的に全方面が絶縁体20、例えばSiO2によって取り囲まれており、この際、電界放出ティップ1の先端を直接囲む領域のみがクレーター様に開放されている。

0058

電界放出ティップ19は、絶縁体20を貫通して延在し、そしてそれらの先端が、それぞれ電界放出ティップ19の方向に火山円錐様に先細りしているカラー21中に通じており、このカラー21は、伝導性材料でできており及びクレーター23から突き出ている電界放出ティップ19の先端をゲートとして同心的に取り囲んでいる。クレーター23は、同時にカラー21によって画定されている。電界放出ティップ19はカラー21から突出していることができ、すなわちそれを越えて出ていることができる。電界放出ティップ19を囲むカラー21の縁は、ゲート8と接続されている。

0059

各カラー11の間の領域は、それぞれ窪みを形成し、この窪みは、それぞれ隣接するカラーまで延在し、この際、電界放出ティップアレイ1の表面全体が、カラー21中に存在するクレーター23は除いて金属層24で覆われている。

0060

図2は、棒状支持システムの構成部材としての図1aに従うX線源の設計を示し、この場合、複数のX線源が支持システムの長手の延び方向に相並んで配置されている。本発明による小型化X線源のための棒状支持システムは、長手に延びた金属またはプラスチックでできた支持異形材10を含む。この支持異形材10は、例えば押出によって製造できる。この支持異形材10の内部には、適切な箇所に、カソード電圧のための及び(アノード電流を制御するためのゲート電極8が存在する場合には)ゲート電圧8ものための必要な電源が存在する。

0061

本発明に従い小型化された低エネルギーX線源は、高電場強度下に量子力学的トンネル効果に基づいて電子を生み出し、この場合に、数年間の利用期間が確実なものとされ得る。小型化されたX線源の製造は、マイクロエレクトニクスの製造方法を利用して問題なくかつ費用効果高く行うことができる。

0062

図1または1aによる小型化されたX線源は、図2に示すように、異形材10を備えた棒状複数パーツ型支持システムに固定される。支持異形材10には、一方の側(図2では上方)に固定用溝10aが備えられており、そうして支持異形材10は、適切な定置ホルダに固定することができる。前記固定用溝とは反対側には、本発明による小型X線源を固定するための押出成形した金属製固定用異形材11が備えられており、これは、プラスチック製異形材12中に配置されており、このプラスチック製異形材12は、支持異形材10中の窪み中にはめ込まれており、それ故、支持異形材10と固定用異形材11との間の電気絶縁を形成している。固定用異形材11と支持異形材10との間の電気絶縁は、後者が金属でできている場合にのみ必要である。

0063

本発明による小型X線源は、所定の間隔で固定用異形材11に固定されており、この固定用異形材11は、機械的固定の他に、X線源の典型的には地電位のアノード、すなわちフード3及び支持プレート4の電気的接触にも役立つ。この際、電極6、8は支持異形材10中に延在し、そして支持異形材11に沿って延在する高電圧電線13、15と接続されている。この際、X線源は、支持システムから周囲環境中に突き出ている。

0064

プラスチック製異形材12によって、固定用異形材に接続された測定用電子機器を介して、この測定用電子機器を地電位と接続することによってアノード電流を測定できる。このようにして、小型X線の機能監視を実現できる。

0065

支持異形材10中には、カソードのための高電圧電線13、場合により及びゲート電極8のための高電圧電線15が長手に走って存在する。更に、支持異形材10の内部空間には、高電圧絶縁材17が充填されている。更に、電極6及びゲート電極8は、然るべきブッシュ14及び16中に差し込まれており、これらのブッシュは、高電圧電線13及び15と電気接続されている。

0066

該X線源の作動電圧は、実施上の配慮点から<5kVの範囲であるのがよい。なぜならば、このエネルギー範囲での管理費は明らかにより低いからであり、それは、この範囲で生成する電離放射線は、大概は、X線源とは見なされないためである。しかし、本発明によるX線源は、必要な場合には、より高い作動電圧でも問題なく稼働できる。

0067

本発明によるX線源の稼働中は、電界放出ティップアレイ1のティップから、ティップでの高い電界強度の故に、電子が電界放出によって引き抜かれ、この際、ティップでの電界強度は、ティップとゲートとの間の電位差並びにそれらの幾何的配置によって決定される。

0068

例えば、2nmのティップ半径、ティップ面での直径が100nmの環状ゲート及びティップに対して60Vのゲート電位では109V/mの電界強度が達成される。

0069

け出した電子は、ゲートの後では、カソードとアノードとの間の加速高電圧によってアノードに向けて加速される。加速高電圧は、X線源の稼働中は一定のままである。なぜならばこの電圧によって最大放射エネルギーが決定されるからである。

0070

ゲート電極は20〜100Vの範囲で調節可能であるべきであり、この際、測定されるアノード電流が調節パラメータとして使用される。カソード及びゲートは、<−5000V(カソード先端)または−4980〜−4900V(ゲートリング)にあり、この際、アノードは地電圧にある。カソード−ゲート電圧は、コントローラで調節されたオプトカプラを介して電気的に分離される。

0071

1.電界放出ティップアレイ
2.伝送窓
3.フード
3a.孔
3b.真空領域
4.支持プレート
4a.固定用孔
5.絶縁体
6.電極
7.絶縁材
8.ゲート電極
9.ジャンパ
10.支持異形材
10a.固定用溝
11.固定用異形材
12.プラスチック製異形材
13.高電圧電線
14.ブッシュ
15.高電圧電線
16.ブッシュ
17.高電圧絶縁材
18.土台
19.電界放出ティップ
20.絶縁体
21.伝導性ゲート
22.ゲート
23.クレーター
24.金属層

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