特開 2023-63712 電子ビーム処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023063712

(43)【公開日】2023-05-10

(54)【発明の名称】電子ビーム処理装置

(51)【国際特許分類】

   G21K 5/00 20060101AFI20230428BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20230428BHJP

   G21K 5/04 20060101ALI20230428BHJP

【ＦＩ】

G21K5/00 W

B23K15/00 503

G21K5/04 M

G21K5/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021173688

(22)【出願日】2021-10-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】市村 智

(72)【発明者】

【氏名】小島 啓明

(72)【発明者】

【氏名】須藤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠

【テーマコード（参考）】

4E066

【Ｆターム（参考）】

4E066BA03

4E066BB04

4E066BB05

(57)【要約】

【課題】電子ビーム源に対して対象物が相対的に位置が変化しない場合であっても、対象物の特定箇所への電子ビームの照射量を向上可能な電子ビーム処理装置を提供する。
【解決手段】電子ビーム処理装置１０００は、電子ビーム発生源６００と、電子ビームの照射方向を制御する照射制御部７００と、透過窓から前記電子ビームを透過させる電子ビーム通過部８００と、を備えた電子ビーム処理装置において、電子ビーム通過部８００の減圧を保持し、電子ビーム発生源６００に対向し、気密を保持しながら回転可能な回転部材（開口部筐体６０）を有し、透過窓２００は、回転部材に複数設けられ、その形状は線状である。透過窓２００は、回転部材の円周方向に配設されるとともに、各透過窓の長手方向が概略径方向に形成されており、照射制御部７００は、回転部材を回転させることで透過窓２００を移動させながら、電子ビームを透過窓の長手方向にスキャンする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子ビーム発生源と、電子ビームの照射方向を制御する照射制御部と、透過窓から前記電子ビームを透過させる電子ビーム通過部と、を備えた電子ビーム処理装置において、
前記電子ビーム通過部の減圧を保持し、前記電子ビーム発生源に対向し、気密を保持しながら回転可能な回転部材を有し、
前記透過窓は、前記回転部材に複数設けられ、その形状は線状である
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電子ビーム処理装置であって、
前記透過窓が曲線状に形成されている
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電子ビーム処理装置であって、
前記透過窓が直線状に形成されている
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【請求項4】

請求項１に記載の電子ビーム処理装置であって、
前記回転部材の内部に、隣接する透過窓の間を通して冷却水配管を配設した
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電子ビーム処理装置であって、
前記透過窓は、前記回転部材の円周方向に配設されるとともに、各透過窓の長手方向が概略径方向に形成されており、
前記照射制御部は、前記回転部材を回転させることで前記透過窓を移動させながら、前記電子ビームを透過窓の長手方向にスキャンする
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【請求項6】

電子ビームを真空中から大気中に引出し、大気中に配設された被処理物に対して照射する照射制御部を有する電子ビーム処理装置であって、
真空中から大気中に電子ビームを透過させるとともに気密を保持する複数の透過窓を備え、
複数の前記透過窓は、気密を保持しながら回転可能な回転部材の円周方向に配設され、かつ、前記透過窓の長手方向が概略径方向に形成されており、
前記照射制御部は、前記回転部材を回転させることで前記透過窓を移動させながら、電子ビームを前記透過窓の長手方向にスキャンする
ことを特徴とする電子ビーム処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子ビーム透過窓を備えた電子ビーム処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、粒子線の発生部を備える粒子線照射装置の真空チャンバに取り付けられ、該粒子線を該真空チャンバの内側から外側に透過させる粒子線透過窓であって、前記粒子線が透過する金属薄膜と、該金属薄膜を該真空チャンバに取り付けるために、該金属薄膜を挟持する形態で該金属薄膜に気密接合される２つのフレームと、を備え、該２つのフレームのうちの少なくとも１つのフレームを、前記粒子線の通過領域で多孔構造とした粒子線照射装置が開示されている。

【0003】

特許文献１に記載の粒子線照射装置においては、粒子線透過窓を前記の構成とすることにより、粒子線透過窓の一部を構成している金属薄膜が、透過窓内外の圧力差や、熱変形によって破損するのを回避することを意図している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－１４８４７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の粒子線照射装置では、粒子線源に対して相対的に位置が変化しない対象物の特定箇所に粒子線を照射し続ける場合、金属薄膜の特定箇所を粒子線が透過し続けることにより、当該箇所の温度が上昇し、熱変形によって破損に至る恐れがある。そのため、粒子線の対象物の特定箇所への照射量が制限されるという問題がある。

【0006】

本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、電子ビーム源に対して対象物が、相対的に位置が変化しない場合であっても、対象物の特定箇所への電子ビームの照射量を向上可能な電子ビーム処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するため、本発明の電子ビーム処理装置は、電子ビーム発生源と、電子ビームの照射方向を制御する照射制御部と、透過窓から前記電子ビームを透過させる電子ビーム通過部と、を備えた電子ビーム処理装置において、前記電子ビーム通過部の減圧を保持し、前記電子ビーム発生源に対向し、気密を保持しながら回転可能な回転部材を有し、前記透過窓は、前記回転部材に複数設けられ、その形状は線状であることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電子ビーム源に対して対象物が、相対的に位置が変化しない場合であっても、対象物の特定箇所への電子ビームの照射量を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の構成図である。

【図2】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の上面図である。

【図3】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の要部断面図（図２のＡＡ断面図）である。

【図4】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の下面図である。

【図5A】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の回転角の時間変化のグラフである。

【図5B】第１実施形態に係る電子ビーム処理装置の電子ビームの開口部筐体における径方向位置の時間変化のグラフである。

【図6】第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の下面図である。

【図7A】第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の回転角の時間変化のグラフである。

【図7B】第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の電子ビームの開口部筐体における径方向位置の時間変化のグラフである。

【図8】第３実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の下面図である。

【図9A】第３実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体の回転角の時間変化のグラフである。

【図9B】第３実施形態に係る電子ビーム処理装置の電子ビームの開口部筐体における径方向位置の時間変化のグラフである。

【図10】第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の電子ビーム照射位置の変形例である。

【図11】第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の冷却水配管の配設例である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【0011】

＜第１実施形態＞
図１から図４を参照して、第１実施形態に係る電子ビーム処理装置について説明する。図１は本実施形態に係る電子ビーム処理装置１０００の構成図、図２は上面図、図３は開口部筐体６０の要部断面図（図２のＡＡ断面図）、図４は開口部筐体６０の下面図である。

【0012】

図１に示す本実施形態の電子ビーム処理装置１０００は、電子ビーム発生源６００と、電子ビームの照射方向を制御する照射制御部７００と、透過窓２００から電子ビームを透過させる電子ビーム通過部８００と、を備えている。透過窓２００は、金属薄膜で構成されており、例えば、Ｔｉ膜、Ｂｅ膜である。

【0013】

電子ビーム発生源６００は、内部を減圧可能な筐体１０，１１と、筐体の内部に配設され、電子を放出する陰極１と、放出された電子に電界を与え、所定量の電子を図の下方に引出す引出し電極２と、引出された電子を所定のエネルギーまで加速して電子ビーム６として下方に照射する陽極３を備えている。

【0014】

照射制御部７００は、電子ビーム発生源６００の筐体１１と連結され、内部を減圧可能な筐体１２と、筐体の内部に配設され、通過する電子ビームの集束、発散を制御するコイル４と、電子ビームの向きを制御する偏向コイル５を備えている。

【0015】

電子ビーム通過部８００は、照射制御部７００の筐体１２と連結される筐体５０と、複数の開口部１００が周方向に配設された開口部筐体６０と、各々の開口部１００の下部側に、気密を確保して取付けられた透過窓２００（図３参照）と、を備えている。本実施形態においては、図４に示した如く、透過窓２００は周方向に合わせて２４個が配置されている（図４の太い実線の曲線一本一本が透過窓２００である）。また、筐体５０に対して開口部筐体６０を相対的に回転させるモータ４０と、筐体５０とモータ４０の回転軸の間の気密を保持するシール部７１と、筐体５０に対して開口部筐体６０を回転させる際に、上下方向の相互間隔を維持するベアリング８０と、ベアリングの内周に配設され、筐体５０と開口部筐体６０との間の気密を保持するシール部７０を備えている。モータ４０は、筐体５０に対し、支持部材４１によって取付けられている。被処理物５００の表面上の直線５１０に電子ビームを照射する場合、直線５１０と、回転する透過窓２００が交差した場所を電子ビームが透過する様に、偏向コイルを制御すればよい。詳細については、後述する。

【0016】

電子ビーム通過部８００の下方には、被処理物５００が配設され、線状の透過窓２００を透過した電子ビームが照射されることにより、所望の電子ビーム処理、例えば溶接や、表面改質などの処理がなされる。なお、ここでいう線状の意味は、透過窓の幅が電子ビームの直径程度で、長さがそれよりも長い形状のことである。図２に示すように、被処理物５００の表面上の直線５１０に電子ビームが照射される。

【0017】

次に、本実施形態の電子ビーム処理装置１０００の基本動作を説明する。
図５Ａは、開口部筐体６０の回転角の時間変化のグラフであり、図５Ｂは、電子ビームの開口部筐体径方向位置の時間変化グラフである。適宜図１から図４を参照して説明する。本実施形態では先ず、図５Ａに示した様に開口部筐体６０を一定速度で回転させておく。図５Ａの縦軸の開口部筐体６０の回転角は、図４に示した状態を０°としている。横軸の時間は、１回転、即ち３６０°回転するのに要する時間で規格化して示しており、開口部筐体６０の回転角が０°の時刻を起点０としている。

【0018】

電子ビーム発生源６００、照射制御部７００及び電子ビーム通過部８００の内部は予め、フランジ２１、フランジ２２に接続された図示されていない排気装置によって、被処理物５００の周囲雰囲気よりも減圧されており、電子ビーム６が残留ガスに衝突して散乱するのを抑制している。この状態で陰極１から電子を放出し、引出し電極２によって電子に電界を与え、所定量の電子を図１の下方に引出したのち、陽極３によって所定のエネルギーまで加速して電子ビーム６として照射制御部７００に導入する。

【0019】

照射制御部７００に導入した電子ビーム６を、コイル４に流す電流を制御することで、透過窓２００の位置でビーム径が最小となる様に集束させる。そして、偏向コイルに流す電流を制御することで電子ビーム６の向きを変えることができる。

【0020】

電子ビーム６の引出し量は、電子ビーム発生源６００の引出し電極２に印加する電圧値によって制御することができ、電子ビーム６を照射しない場合は、所定の電圧値以下に設定して引出し量を０にしておく。

【0021】

前記の状態で、被処理物５００の表面上の直線５１０に電子ビームを照射する場合、直線５１０と、回転する透過窓２００が交差した場所を電子ビームが透過する様に、偏向コイルを制御すればよい。本実施形態では、図５Ｂに示した如く、電子ビームを径方向にスキャン制御することで、直線５１０（図４参照）に対し、左右に往復しながら、ほぼ時間的に連続的に電子ビームを照射することができる。なお、図４に示された透過窓２００の形状は、図５Ｂに示した如く、電子ビームのスキャン速度を一定として制御した際に、電子ビームが透過する様に決められたものである。

【0022】

以上に示した如く、本実施形態の電子ビーム処理装置１０００では、被処理物の表面上の直線範囲に、ほぼ時間的に連続的に電子ビームを照射できる。一方で、単位時間当たりに1つの透過窓２００を透過する電子ビームの量を少なくできることから、電子ビーム透過により透過窓２００で発生する単位時間当たりの発熱量を少なくできる。

【0023】

また、図３に示した如く、透過窓２００で発生した熱は分散して開口部筐体６０に逃げるので、温度上昇を低減できる。これにより、透過窓が熱変形によって破損するのを防ぎつつ、電子ビームの照射量の向上が可能となる。

【0024】

また、図４に示した如く、隣接する透過窓２００の間は開口部筐体６０の厚みを有しており、開口部筐体６０の内外の圧力差を保持することが可能となっている。

【0025】

＜第２実施形態＞
図６及び図７を参照して、第２実施形態に係る電子ビーム処理装置について説明する。
図６は第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体６０の下面図、図７Ａは開口部筐体６０の回転角の時間変化のグラフ、図７Ｂは電子ビームの開口部筐体６０の径方向位置の時間変化のグラフである。

【0026】

本実施形態の電子ビーム処理装置の第１実施形態からの主な構成の変更点は、以下の通りである。図４に示した透過窓の形状を全て、図６に示した如く、開口部筐体６０の回転方向に凸の、同一の曲線形状にしている。これに伴い、図５Ｂに示した電子ビームの開口部筐体径方向位置の時間変化のグラフは、図７Ｂに示したものに変更している。

【0027】

本実施形態においては、図７Ａに示した如く、開口部筐体６０が一定の回転速度で回転している状態で、図７Ｂに示した如く、電子ビームを内径側から外径側の１方向に繰り返しスキャンする制御によって、直線５１０に対し、右から左に、ほぼ時間的に連続的に電子ビームを照射することができる。なお、図６に示された透過窓２００の形状は、図７Ｂに示した如く、電子ビームのスキャン速度を一定として制御した際に、電子ビームが透過する様に決められたものである。なお、透過窓２００の形状は、図６に示したものと鏡面対称形状に、即ち、開口部筐体６０の回転方向に凹の形状としてもよく、この場合は、電子ビームを外径側から内径側の１方向に繰り返しスキャンする制御をすればよい。

【0028】

本実施形態の電子ビーム処理装置は、第１実施形態の電子ビーム処理装置のものと同様に、被処理物の表面上の直線範囲に、ほぼ時間的に連続的に電子ビームを照射でき、また、単位時間当たりに1つの透過窓２００を透過する電子ビームの量を少なく、電子ビーム透過により透過窓２００で発生する単位時間当たりの発熱量を少なくできる。そして、図３に示した如く、透過窓２００で発生した熱は分散して開口部筐体６０に逃げるので、温度上昇を低減できる。これにより、透過窓２００が熱変形によって破損するのを防ぎつつ、電子ビームの照射量の向上が可能となる。

【0029】

一方で、図６に示した如く、隣接する透過窓２００の間隔を図４に示した第１実施形態のものと比較して大きくとることができる。これにより、開口部筐体６０の機械的強度が大きくなるという効果がある。

【0030】

図１１は、第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の冷却水配管の配設例である。第２実施形態は、隣接する透過窓２００の間隔を大きくとれることから、図１１に例示した如く、隣接する透過窓２００の間を通して冷却水配管９０を配設することができ、開口部筐体６０の冷却が容易になるという効果がある。

【0031】

以上の電子ビーム処理の説明は、被処理物５００の表面上の直線５１０に電子ビームを照射する場合について説明してきたものである。一方で、本発明の電子ビーム処理装置が被処理物５００に対して電子ビームを照射できるのは、１本の直線に限定されない。

【0032】

図１０は、第２実施形態に係る電子ビーム処理装置の電子ビーム照射位置の変形例である。図１０は、電子ビーム処理装置において電子ビームを照射可能な複数の直線５０９、５１０、５１１を例示したものである。これらの直線は照射窓が配列されている内径Ｒｉｎと外径Ｒｏｕｔの範囲に含まれている。これにより、各直線と、回転する透過窓２００が交差した場所を電子ビームが透過する様に偏向コイルを制御することで、各直線に電子ビームを照射することができる。

【0033】

例えば、当初、電子ビームを照射可能な直線５０９に合わせて照射しながら開口部筐体６０を数回回転させ、次に、電子ビームを照射可能な直線５１０に合わせて照射しながら開口部筐体６０を数回回転させ、最後に、電子ビームを照射可能な直線５１１に合わせて照射しながら開口部筐体６０を数回回転させるとよい。

【0034】

＜第３実施形態＞
図８及び図９を参照して、第３実施形態に係る電子ビーム処理装置について説明する。
図８は第３実施形態に係る電子ビーム処理装置の開口部筐体６０の下面図、図９Ａは開口部筐体６０の回転角の時間変化のグラフ、図９Ｂは電子ビームの開口部筐体６０の径方向位置の時間変化のグラフである。

【0035】

本実施形態の電子ビーム処理装置の第２実施形態からの主な構成の変更点は、以下の通りである。図６に示した透過窓２００の形状を全て、図８に示した如く、同一の直線形状にしている。これに伴い、図７Ｂに示した電子ビームの開口部筐体６０の径方向位置の時間変化のグラフは、図９Ｂに示したものに変更している。

【0036】

本実施形態においては、図９Ａに示した如く、開口部筐体６０が一定の回転速度で回転している状態で、図９Ｂに示した如く、電子ビームを内径側から外径側の１方向に繰り返しスキャンする制御によって、直線５１０に対し、右から左に、ほぼ時間的に連続的に電子ビームを照射することができる。なお、図９Ｂに示した電子ビームのスキャン動作は、図８に示された直線形状の透過窓２００を電子ビームが透過する様に決められたものである。そのため、図９Ｂに示した如く、電子ビーム径方向位置の時間微分であるスキャン速度が変化している。そのため、１回のスキャン当りで直線５１０に照射される電子ビームの照射量を均一化するためには、図１に示した引出し電極２の電圧を制御し、スキャン速度の遅い領域で電子ビーム量を小さく、スキャン速度の速い領域で電子ビーム量を大きくすればよい。

【0037】

本実施形態では、透過窓２００が直線形状であることにより、第２実施形態に示した曲線状の透過窓２００より、製作が容易であるという効果がある。

【0038】

以上説明した電子ビーム処理装置１０００は、電子ビーム発生源６００と、電子ビームの照射方向を制御する照射制御部７００と、透過窓２００から電子ビームを透過させる電子ビーム通過部８００と、を備え、電子ビーム通過部８００の減圧を保持し、電子ビーム発生源６００に対向し、気密を保持しながら回転可能な回転部材（例えば、開口部筐体６０）を有し、透過窓２００は、回転部材に複数設けられ、その形状は線状であることが特徴である。透過窓２００は、曲線状、直線状に形成されている。

【0039】

回転部材の内部に、隣接する透過窓２００の間を通して冷却水配管９０を配設したことが特徴である。

【0040】

透過窓２００は、回転部材の円周方向に配設されるとともに、各透過窓の長手方向が概略径方向に形成されており、照射制御部７００は、回転部材を回転させることで透過窓２００を移動させながら、電子ビームを透過窓２００の長手方向にスキャンすることができる。

【0041】

電子ビームを真空中から大気中に引出し、大気中に配設された被処理物に対して照射する照射制御部７００を有する電子ビーム処理装置１０００であって、真空中から大気中に電子ビームを透過させるとともに気密を保持する複数の透過窓２００を備え、複数の透過窓２００は、気密を保持しながら回転可能な回転部材の円周方向に配設され、かつ、透過窓２００の長手方向が概略径方向に形成されており、照射制御部７００は、回転部材を回転させることで透過窓２００を移動させながら、電子ビームを透過窓の長手方向にスキャンすることができる。

【0042】

本実施形態によれば、透過窓２００が内外の圧力差や、熱変形によって破損するのを防ぎつつ、電子ビームの照射量の向上が可能となる。

【符号の説明】

【0043】

１ 陰極
２ 引出し電極
３ 陽極
４ コイル
５ 偏向コイル
６ 電子ビーム
１０，１１，１２ 筐体
２１，２２ フランジ
４０ モータ
４１ 支持部材
５０ 筐体
６０ 開口部筐体（回転部材）
７０，７１ シール部
８０ ベアリング
９０ 冷却水配管
１００ 開口部
２００ 透過窓
６００ 電子ビーム発生源
５００ 被処理物
５０９，５１０，５１１ 直線
７００ 照射制御部
８００ 電子ビーム通過部
１０００ 電子ビーム処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】