CN101529550A

CN101529550A - 皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制方法及控制装置

Info

Publication number: CN101529550A
Application number: CNA2007800385106A
Authority: CN
Inventors: 饭岛荣一; 沈国华; 佐竹彻
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: US20100026161A1; JPWO2008050670A1; KR101112692B1; RU2009119458A; RU2449409C2; TWI421898B; EP2077574A4; TW200822160A; JP4888793B2; KR20090043574A; US8198797B2; EP2077574A1; EP2077574B1; CN101529550B; WO2008050670A1

Abstract

皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制中，消除电子枪内部的空间电荷效应及空间电荷中和作用的影响，使电子束的控制完善。通过直接测定上述皮尔斯电子枪内部温度，来反馈控制电子枪内部的压力。直接测定上述皮尔斯电子枪的内部温度的位置，优选阴极(39)、流体调节器(43)。其次，也可以是设置在阴极室(31)、中间室、摆动室(33)的任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中任一个。据此，产生束的部分的稳定性(电子枪自身的最优化设计)、束输送部的稳定性及束使用部的稳定性都变得良好。

Description

皮尔斯电子枪的电子束聚焦的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种可以长时间稳定保持电子束的皮尔斯电子枪的控制方法、皮尔斯电子枪的电子束控制装置及具备其的真空装置。

背景技术

皮尔斯电子枪具有可分离束发生源和被照射物的真空气氛，并稳定保持束发生源的特点。另外，因为能量源是电子而易于摆动、偏向，所以作为蒸镀装置、熔解炉及热处理炉的加热源而被广泛使用。特别是在需要300小时以上长时间稳定性的MgO及SiO₂等金属氧化物用串联式蒸镀装置的加热源；可以在短时间加热到规定的蒸发速度、需要使Al、Co-Ni、Cu等金属被膜厚度分布均匀地稳定并大量蒸发的卷绕式蒸镀装置的加热源；以及使SiO₂、ZrO等金属氧化膜以膜厚度分布在±1％之内并可良好再现地蒸发的光学膜用的卷绕式蒸镀装置的加热源等，期待今后应用领域更加扩大。(图9显示MgO蒸镀装置、图10显示卷绕式蒸镀装置的电子枪使用例)

特别是，在等离子体显示屏(PDP)用的玻璃基板表面上作为保护膜而使用的氧化镁(MgO)覆膜，近年为适应玻璃母板的大型化、批量生产的潮流，期待可以更加均匀且高速成膜。

基于这样的背景，例如开发有使用多台皮尔斯电子枪的电子束蒸镀装置(图15)。该装置例如是构成为进料/取出室及蒸镀室的两室或进料室、蒸镀室及取出室的三室经由隔离阀而连接设置的电子束蒸镀装置81、82。

另外，该电子束蒸镀装置81、82的蒸镀室2的概要如图9所示。也就是说，作为将PDP保护膜即MgO连续成膜的加热源，主要使用皮尔斯电子枪3。从固定在蒸镀室侧壁的皮尔斯电子枪大致水平发射的电子束F，由电子束偏向装置20偏向并照射在作为蒸发源的炉缸4内的MgO11的蒸发点P，从而使MgO的蒸气流产生，在以通过其上的方式移动的载体所搭载的玻璃基板10表面上形成MgO覆膜。也就是说，蒸镀室也是电子束的照射室。

这样的电子束蒸镀装置81、82具有蒸镀室内不暴露于大气；在进料/取出室83或进料室84中，因可对于玻璃基板10或搭载有玻璃基板的载体进行脱气或加热处理等前处理，所以可以稳定维持蒸镀室内的气氛；与分批式装置相比生产量大等特点，但期望皮尔斯电子枪可长时间稳定工作。

于是从过去以来，为皮尔斯电子枪的长时间稳定工作而进行了各种努力。

例如，在蒸镀室内部有水分、残留气体、蒸发粒子等，构成电子束的热电子与这些相碰撞而产生离子，虽然有时会向电子枪的阴极逆流而使电子枪异常放电，但在阴极设置有用于接受离子及由离子碰撞而飞溅的成分的贯通孔、离子收集器(例如参照专利文献1、2)。

但是，因电子所持有电荷所引起的粒子间的相互作用，束直径、能量幅度增加的空间电荷效应，以及由电子碰撞气氛气体而气体离子化引起的空间电荷中和作用，电子枪内部的电子束直径及照射在对象物上的电子束直径(能量密度)，根据电子枪内部的压力及照射物所放置的气氛压力而变动。因此，以蒸镀为例，存在蒸镀速率不稳定等问题。所以，也存在不能充分发挥皮尔斯电子枪特点的问题，即不能发挥由束发生源与被照射物的气氛分离而引起的在大范围内稳定运行的特点。

而且，电子枪内部的束的扩散会影响到电子枪内部的构成件，使该构成件过热。结果有时会给电子枪自身造成损伤。

因此，为稳定在电子枪内部的束直径，亦即，为了使电子枪内部的束不扩大、防止对电子枪本体的损伤，而采取向电子枪内引入Ar作为空间电荷中和气体，或调节流体调节器的传导率，或使聚焦线圈为多段等手段。

另外，相对组装精度及时间变化使得电子束的发射极(束发生部、生成部)稳定。也就是说，最优化设计电子枪自身，以使阴极表面角、维纳尔角度、阳极角度、阴极-维纳尔间尺寸及阴极-阳极间尺寸等适于上述目的。这是以稳定基于电场的束聚焦条件为目的而进行的。

但是，不论那种情况也没有适当的反馈机构，而是以预先设定的值来运行电子枪，因此难以稳定地进行精密的成膜工艺。另外即使是Ar等惰性气体，也会有时影响到成膜工艺。

于是，开发有在束出口及束照射部测量束直径，并反馈到束电流及聚焦线圈电流的方法(参照专利文献3)。如图14所示，在作为束照射部的环状炉缸4附近，设置监视片XR1、XR2、XR3、XL1、XL2、XL3，该监视片XR1、XR2、XR3、XL1、XL2、XL3可以将从各个电子枪3发射的电子束的束点温度作为电气信号输出，向束电流或聚焦线圈电流反馈以实现稳定。

但是，在电子枪内部的空间电荷效应的影响仍然存在，并非完善。

专利文献1日本特开2004-14226号公报(第3页，图1)

专利文献2日本特开2005-268177号公报(第3页，图1)

专利文献3日本特开2005-264204号公报(第4页，图1)

发明内容

本发明是鉴于上述问题而进行的，目的在于，提供消除电子枪内部的空间电荷效应及空间电荷中和作用的影响，使电子束的控制得以完善。

如上所述，电子枪内部的束受到空间电荷效应的影响。电子束的扩散及束能量的倾向如图11所示。电子枪内部的束扩散对电子枪内部的构成件产生影响，使其构成件过热。因此，测定电子枪内部的温度，向真空排气系统的排气速度进行反馈，调整电子枪内部的压力，使在电子枪内因空间电荷效应及空间电荷中和作用的影响而变动的电子束的聚焦状态固定。

也就是说，通过直接测定皮尔斯电子枪内部温度，并根据该测定温度来控制皮尔斯电子枪的方法，来解决上述问题。

另外，通过具有直接测定皮尔斯电子枪内部温度的机构的皮尔斯电子枪的控制装置，来解决上述问题。

另外，具有2套以上聚焦线圈的电子枪中，考虑到向对象物的束稳定性，而优选使从第一聚焦线圈进入第二聚焦线圈的束尽可能地平行。该控制通过调节电子枪内部压力来进行。当然因为是透镜，所以束调节成从大致平行至略微发散。

为提高PDP性能、产品成品率及产品稳定性，要求玻璃基板内的膜厚度分布在长时间保持稳定，并变得能够与此相适应。具体而言，对于现有的42英寸2面切割的玻璃母板，在大约

内连续运行144小时(大约1周)，对于相同尺寸，变得可以在大约

以内连续运行240小时(大约10天)以上。而且，对于42英寸6-8面切割的玻璃母板，可以在大约

以内连续运行两周以上。此外，过去是以目测来大致测定电子枪内的束直径，并进行聚焦线圈及Ar等中和气体的调节，现在通过测定温度可实现再现性良好的调节。

而且，通过监视这些电子枪内部的温度，可以防止对电子枪的损伤，同时可以用于防止过去难以查出的产品不合格及早期发现。过去是通过电气的互锁，输出电子束，只要聚焦及摆动线圈流动有规定电流则判断为正常。

进而，长时间连续运行电子枪的串联式蒸镀装置中，有控制蒸镀室内的压力为一定而进行生产的情况，也有使工艺气体流量为一定而进行生产的情况，在来自外部的气体的进入量发生变动的后述的方法下，蒸镀速度发生变动。此时，蒸镀材料为MgO之外的材料，例如金属蒸镀时，可以使用晶体振荡式成膜控制器这样的具有可信度的成膜速度测量装置，向电子枪的能量、束聚焦及摆动系统反馈，但在金属氧化物的时候，没有长时间的成膜速度测定机构。但是，通过此次研发的机构，即使对于照射室的压力变动，也可以提供有效的控制机构。

根据上述，对于产生束的部分的稳定性(电子枪自身的最优化设计)、束输送部的稳定性(本申请发明的方法)以及束使用部的稳定性(专利文献3的方法)全部都可以解决。

附图说明

图1是本发明实施例的电子枪真空排气系统图。

图2显示本发明的第一实施例。是30kW皮尔斯电子枪的截面图。显示热电偶R1、R2的设置位置。

图3是本发明的第二实施例的100kW皮尔斯电子枪的真空排气系统图。另外，本实施例在差动排气孔设置差动排气筒。

图4是是本发明的第二实施例的100kW皮尔斯电子枪的截面图。显示热电偶R1-R6的设置位置。

图5是皮尔斯电子枪的原理图。显示电子束的射出原理。通过从加热的阴极37放出热电子，由阴极37及维纳尔(ゥェネルト)38与阳极39所形成的电场，进行电子的放出和聚焦。所以阴极37、维纳尔38及阳极39的尺寸、位置对于束形成很重要。通过阳极39的电子束由聚焦线圈40、摆动线圈41、电子束偏向装置20控制以使电子束不扩散，而照射在所需的炉缸4上的材料11上。

图6是本发明的照射室压力与流体调节器温度的图表。在进行涡轮分子泵51(图1)转速控制的时候，即使照射室一侧的压力变化，也可知束聚焦状态一定且流体调节器43的温度一定。

图7是本发明的束电流与流体调节器温度的图表。在进行涡轮分子泵51(图1)的转速控制的时候，即使改变束电流，束聚焦状态一定且流体调节器的温度大致一定。

图8是用于比较的束电流及阳极与流体调节器温度的图表。是不进行涡轮分子泵51(图1)的转速控制的状态下的图。流体调节器温度随着束电流的增加而减小。

图9是MgO蒸镀装置的示意图。在此例中，相对于4台环状炉缸4，配置有4台皮尔斯电子枪3。对于环状炉缸上的两点照射点P，进行由偏向线圈控制的电子束交替照射的跳变控制。另外，图中的箭头表示玻璃基板10的行进方向。而且，位于玻璃基板10下方的物体以虚线表示。

图10是卷绕式蒸镀装置的示意图。从皮尔斯电子枪3向蒸镀材料容器104内的蒸镀材料照射电子束并使之蒸发。从卷出卷筒108送出的带基材110卷绕在主辊107上时，被暴露在从配置于下方的蒸镀材料容器104蒸发的材料蒸气中，从而在其表面成膜。该成膜的带基材被卷绕卷筒109所卷绕。是如此连续进行成膜的装置。

图11是说明因空间电荷效应而圆筒电子束直径增大的图。A显示聚焦线圈产生的磁场的状态。B显示电子束直径。空间电荷效应的比例增加时，束径变大。

图12是说明蒸镀压力与成膜速度的关系的图。在此例中，蒸镀压力为1.0E-02Pa时成膜速度最高。蒸镀压力为3.0E-03Pa时，受到空间电荷效应的影响电子束直径扩大，能量密度降低，到达的蒸镀材料量减少，成膜速度降低。另外，在3.0E-02Pa时，因为气氛粒子增加，产生电子束、蒸发材料之间的碰撞，成膜速度下降。

图13是说明电子枪内部的束扩大状态的图。另外，在差动排气孔设置作为压力调节的辅助部件的孔径光阑44b。

图14是现有的串联式电子束蒸镀装置控制方法的实例。在环状炉缸4的附近设置监视片XR1、XR2、XR3、XL1、XL2、XL3，来向束电流和/或聚焦线圈电流反馈以实现稳定化。另外，通过使用一台皮尔斯电子枪3，由电子束对放入环状炉缸上的槽部4a中的材料上的照射点PR1、PR2进行跳变控制以交替加热。图中，以实线为一方，以虚线为另一方来显示跳变控制的状态。

图15是电子束蒸镀装置的示意图。A是两室的时候，B是三室的时候。

附图标记说明

1 MgO蒸镀装置

2照射室(蒸镀室)

3皮尔斯电子枪

4环状炉缸(蒸镀材料容器)

4a槽部

6皮尔斯电子枪

10玻璃基板

11材料(MgO)

20电子束偏向装置

30电子枪本体(壳体)

31阴极室

32中间室

33摆动室

34排气口

36丝状体

37阴极

38维纳尔

39阳极

40聚焦线圈

41摆动线圈

42离子收集器

43流体调节器

44a差动排气筒

44b孔径光阑

45第一聚焦线圈(第一物镜)

46第二聚焦线圈(第二物镜)

49真空排气系统

49’差动排气系统

50、51涡轮分子泵

52、53、54泵

55、56、57阀

60电子枪本体(壳体)

61阴极室

62中间室

63摆动室

64、65排气口

66丝状体

67阴极

68维纳尔

69阳极

71摆动线圈

72离子收集器

73a、73b流体调节器

74a、74b

75第一聚焦线圈

76第二聚焦线圈

81、82电子束蒸镀装置

83进料/取出室

84进料室

85取出室

91排气口

94-96门

97-99阀

101卷绕式蒸镀装置

102照射室

104蒸镀材料容器(坩埚)

107主辊

108卷出卷筒

109卷绕卷筒

110带基材

111蒸镀材料(金属)

112导向辊

120串联式电子束蒸镀装置

F电子束

PG压力表

IG压力表

R1-R6热电偶(阻抗温度传感器)

P、P1、P2电子束照射点(蒸发点)

PR1、PR2电子束照射点(蒸发点)

XR1、XR2、XR3、XL1、XL2、XL3监视片

具体实施方式

以下参照附图，对适用于本发明的具体实施例进行详细说明。图1显示本发明实施例的30kW皮尔斯电子枪的真空排气系统图。图2显示30kW皮尔斯电子枪的截面图。图3显示100kW皮尔斯电子枪的真空排气系统图。图4显示100kW皮尔斯电子枪的截面图。图5显示皮尔斯电子枪的原理图。

使用图1和图5，对输出为30kW皮尔斯电子枪3的典型性结构及各部分的性能进行说明。30kW皮尔斯电子枪的主要构成要件是丝状体36、阴极37、维纳尔(wehnelt)38、阳极39、聚焦线圈40、摆动线圈41、离子收集器42(图5)、流体调节器43、本体(壳体)30及真空排气系统49(图1)。关于各自的性能如下所述。

如图5所示，丝状体36流过交流电流，由焦耳热而发热，放出热电子。阴极37通过接收电子而被加热并放出热电子，上述电子由对丝状体36施加正电压而在丝状体36产生并被加速。维纳尔(wehnelt)38也被称为聚焦电极，与阴极37相同电位，在与阳极39之间形成使电子朝向阳极39的中心的电场，高效地生成电子束。阳极39相对于阴极37是正电位，加速在阴极37产生的热电子。因为通常阳极39置于接地电位，所以在阴极37施加负的电压。电子束通过位于中心的孔。

聚焦线圈40也有时被称为聚焦物镜或简称为物镜。通过产生的磁场，使通过阳极39的电子束F聚焦在炉缸4的材料11上。与电子束F的碰撞等所产生的离子在阳极39与阴极37的电压下被加速，溅射阴极37而形成孔。在长时间使用而孔贯通阴极37的时候，离子收集器42接受离子束，以使电子枪本体不受损伤。流体调节器43使传导率减小，保持阴极室(束发生部内)31的压力较低。

另外，如图3、图4所示，通常输出为60kW以上的皮尔斯电子枪除上述之外，还具有第二聚焦线圈46、76，第二流体调节器73b(图4)及差动排气系统49’(图3)。这主要是基于以下的理由。通常的皮尔斯电子枪的电子放射源是使用间接加热式钨制的阴极。来自阴极表面的每单位面积的热电子发射量由温度来决定。另一方面，因为是在真空中使用，所以最高使用温度有限制。因此，为产生大的束电流则需要大直径的阴极。与此相伴，阳极的孔的直径及流体调节器的孔的直径也变大。因此传导率变大，为保证与照射室的压力差而需要第二排气系统。

(第一实施例)

首先，对30kW皮尔斯电子枪的实施例进行说明。如图2所示，在阴极室31的阳极39及摆动室32的流体调节器43上直接安装热电偶R1、R2。另外，如图1所示，中介着隔离阀56，将排气速度为800升/秒的涡轮分子泵51安装在真空排气系统49。该涡轮分子泵51使用可转速控制(控制转速以改变排气速度)的泵。实施例中，图2的热电偶R2获得的流体调节器43的温度反馈给涡轮分子泵51的转速。图6及图7显示结果。可知即使照射室2一侧的压力变化，束聚焦状态也为一定且流体调节器43的温度也为一定(图6)。另外，即使改变束电流，束聚焦状态也为一定且流体调节器43的温度也大致为一定(图7)。

为进行比较，图8显示无反馈时的束电流与阳极39及流体调节器43的温度测定结果。即使增加束电流，阳极39的温度也为一定，与此相对，流体调节器43的温度具有下降的倾向。这是因为空间电荷中和作用而引起束收缩的原因。也就是说，由于没有反馈，因此显示出在电子枪内部的束直径发生了变化。

如上所述，可知根据本发明，可以获得良好的控制。

(第二实施例)

接着，使用图3、4及13，对具有第二聚焦线圈、第二流体调节器及差动排气系统的100kW电子枪的实施例进行说明。此外，图4中未图示的真空排气系统和差动排气系统与排气口64及排气口65分别相连。

优选热电偶的温度测定位置是图4的中间室62的设置在第一流体调节器73a出口侧的环74a的热电偶R4、或者设置在第二流体调节器73b入口的环74b的热电偶R5。或者也可以是第一流体调节器73a的热电偶R2或第二流体调节器73b的热电偶R6。另外，环74a、74b是设置在流体调节器用于调节压力用的辅助部件。此外，图3的差动排气筒44a及图13的孔径光阑44b是设置在中间室32的用于调节压力用的辅助部件。

根据上述结构，可以获得与上述第一实施例相同的效果。

以上，虽然对本发明的实施例进行了说明，当然，本发明并不限于这些，根据本发明的技术思想，可以进行各种变更。

例如，本发明也可以用于其他结构的真空装置。另外，与其他电子束稳定装置组合使用亦可。

另外，实施例中，虽然将可控制转速、改变排气速度的涡轮分子泵50、51用于电子枪内部的压力控制，但也可以控制传导率阀56(图1及图3)。传导率控制方法有通常使用的蝶型、闸门型及可变光阑(虹彩)型(照相机的光阑型)等传导率阀。

另外，工艺上Ar等惰性气体完全不成问题的情况下，也可以将电子枪内部的温度测定结果反馈给气体流量。将电子枪内部的温度测定结果反馈给气体流量的方法、反馈给传导率的方法、反馈空间电荷中和气体导入量的方法、反馈照射室2内压力及电子枪内部压力与温度测定结果的方法等多种方法组合使用的话，可以提供非常稳定的蒸发系统。

另外，除照射室2内的空间电荷，还考虑到与气氛粒子的碰撞引起的电子扩散，不单是温度一定，还可以以相应于照射室2内的压力收缩束的方式，控制为预定的适当温度，以使照射室2内可获得最佳的电子束照射量。例如，如图12所示的成膜例，在蒸镀压力为1.0E-02Pa时成膜速度最高。蒸镀压力为3.0E-03Pa时，受到空间电荷效应的影响，电子束直径扩大，能量密度降低而成膜速度下降。另一方面，在3.0E-02Pa时，因为气氛粒子增加，电子束、蒸发材料之间产生碰撞，成膜速度下降。此时的电子束照射量显示蒸镀压力为1.0E-02Pa较适当。

另外，除实施例所显示的方法外，如果兼用直接监视电子束直径的方法及电子监视束状态的方法，则更加有效果。

另外，本发明并不限于MgO蒸镀，而可用于使用皮尔斯电子枪的蒸镀装置。

另外，实施例的串联式电子束蒸镀装置中，容纳蒸镀材料的容器是环状炉缸，但也可以是坩埚。

而且，本发明除MgO覆膜的形成方法以外，也可以作为形成SiO₂覆膜、TiO₂覆膜等金属氧化物覆膜的方法来使用。另外本发明的蒸镀覆膜的形成方法，也可以作为形成Al覆膜等金属覆膜的方法来使用。

Claims

1、一种皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，直接测定皮尔斯电子枪的内部温度。

2、根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，将热电偶使用于上述直接测定。

3、根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述直接测定的位置是阳极、流体调节器。

4、根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述直接测定的位置，是设置在阴极室、中间室、摆动室中任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中的任一个。

5、根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，将上述皮尔斯电子枪的内部温度的测定结果反馈给真空排气系统的排气速度。

6、根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过设置在真空排气系统内的孔径光阑的开度进行的。

7、根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过改变真空排气系统的泵的转速来进行的。

8、根据权利要求5所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，向上述排气速度的反馈，是通过改变真空排气系统的气体流量来进行的。

9、根据权利要求1所述的皮尔斯电子枪的控制方法，其特征在于，上述皮尔斯电子枪是具有两套以上的聚焦线圈的电子枪，控制电子束从前段的聚焦线圈向后段的线圈大致平行地入射。

10、一种皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，具有直接测定皮尔斯电子枪的内部温度的机构。

11、根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，上述直接测定的机构是热电偶。

12、根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，设置上述直接测定的机构的位置是阳极、流体调节器。

13、根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，设置上述直接测定的机构的位置，是设置在阴极室、中间室、摆动室中的任一者的出口或入口处的环、光阑、排气筒中的任一个。

14、根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，具有将上述皮尔斯电子枪的内部温度的测定结果反馈给真空排气系统的排气速度的机构。

15、根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，向上述排气速度反馈的机构，是改变设置在真空排气系统内的孔径光阑的开度的机构。

16、根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，向上述排气速度反馈的机构，是改变真空排气系统的泵的转速的机构。

17、根据权利要求14所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，向上述排气速度反馈的机构，是改变真空排气系统的气体流量的机构。

18、根据权利要求10所述的皮尔斯电子枪的控制装置，其特征在于，上述皮尔斯电子枪是具有两套以上的聚焦线圈的电子枪，具有以电子束从前段的聚焦线圈大致平行地入射后段的线圈的方式进行控制的机构。