JP3723577B2 - 線状焦点電子ビームデバイスのための陰極アセンブリ - Google Patents

Description

技術分野
この発明は一般に電子ビームデバイスに関し、特に、電子ビームデバイスから放出される電子ビームを発生するための陰極アセンブリに関する。
背景技術
電子ビームを発生して加速するための好都合な環境をもたらすための真空管は一般に、燐光体スクリーン（phosphorescent screen）上の領域を励起してテレビの視聴を可能にするなどの目的に用いられる。典型的に、真空管内で発生する電子ビームは管内に閉じ込められる。しかしながら、用途によっては、表面処理のために真空管からのビームを放出することが望ましいであろう。
この発明の譲受人に譲渡されたワカロプロス（Wakalopulos）の米国特許第５，４１４，２６７号には、真空管の窓を通して縞状ビームを照射する電子ビーム管が記載されている。この場合、ビームは材料の表面処理または接着剤の硬化などの放射線化学のために用いられる。電子は熱電子エミッタである線形フィラメントで発生する。放物柱の形状を有するビーム形成電極は、ビームが線形フィラメントから駆動される際にビームを規定する。縞状ビームは窓を通してビームを照射する陽極に方向づけられる。
ワカロプロスの特許に記載されているタイプの電子ビームデバイスのアレイは、縞状電子ビームの、結果として生じたアレイが、広い表面を処理するよう協働するように配置され得る。この特許は、このようなデバイスによって放出されたビームの実際的な長さは１インチから３インチ（２５．４ｍｍ〜７６．２ｍｍ）の範囲であることを教示している。この範囲の上端においては、熱電子フィラメントには７６．２ｍｍの長さが必要である。これにより比較的大きな真空管本体が要求される。
レセンスキー（Lesensky）の米国特許第４，７６４，９４７号にもまた、縞状ビームを放出する管が教示されている。所望のビーム長さに対応する長さを有するフィラメントが第１の焦束カップと同じ電位に保たれる。フィラメントと第１の焦束カップとの間にある第２の焦束カップは第１の焦束カップよりも高値の負の電位を有する。この構成を用いると、フィラメントの、選択された部分からの不所望な電子放出が抑制される。具体的には、フィラメントの側部および後部からの電子放出が抑制され、これにより、電子ビームによってもたらされた焦点の電子分布からＢ分布が実質的に排除される。レセンスキーのｘ線管は、フィラメントの長さに対応する長さを有するビームを照射する。
これと比較して、ハリス他（Harris et al.）の米国特許第３，６０９，４０１号には、円形の断面を有する電子のビームをシートビームに変換する電子銃が記載されている。電子はフィラメントから円形の中央アパーチャを有する第１の陽極に向けて放出される。第１の陽極を通過するビームの断面は略円形である。一対の電極は円形ビームの両側にある。電極は組合せられて、直径方向に開放端部を有する楕円形を規定する。楕円形の構成により、短径に沿って焦束作用がもたらされるが、ビームは直径方向に分岐する。この特許では、結果として生じたビームは、斧の刃に類似した平坦な形状を有するものとして記載されている。このため、電極によって確立された非対称的な焦束視野によって電子ビームの形状は、第１の電極におけるアパーチャを通過する際の円形の断面から、第２の電極を通過する際の実質的に長方形の断面に変化する。この発明は電子プローブミクロ分析に用いることもできる。ハリス他の電子銃は多くの用途に対しては適切に動作するが、問題点としては、長径方向にビームが自由に分岐できるようにすると、精密に表面を処理するために必要な特性を、結果として生じたビームが有さなくなるという点がある。
この発明の目的は、発生したビームが、制御されたビーム幅よりも実質的に長い制御されたビーム長さを有する、電子ビームデバイスを提供することである。
発明の概要
上記の目的は、電子ビームデバイスであって、フィラメントの円弧状領域と協働して、フィラメントから離れるにつれ長さが増加する電子ビームをもたらす、内側および外側プレートを含む陰極を有するものによって達成される。フィラメントの円弧状領域は陽極に向けて扇形ビームを放出する。プレートのエッジは電子ビームの形状を維持する形態であるが、プレートの設計の残りの部分により、ビームは幅方向に焦束される。フィラメントから離れるにつれ電子ビームの長さが増加するため、デバイスが同じ長さのフィラメントを含む必要なく所望のビーム長さを達成することができる。
好ましい実施例において、フィラメントは電子ビームの初期形状を規定する曲率を有する。内側の対のプレートは第１の焦束レンズとして作用し、第１および第２のプレートはフィラメントに両側にある。内側プレートは、フィラメントから放出された電子を、正に帯電した陽極に向けて焦束するために、負に帯電している。陽極に最も近い、プレートのエッジは円弧状である。これらのエッジにより電子ビームの形状がさらに規定される。ビーム内の個々の電子は一般にエッジに対して垂直に駆動されるため、内側プレートの円弧状のエッジにより、電子ビームが扇形になることが促進される。
外側プレートは第２の焦束レンズとして作用する第３および第４のプレートである。第３および第４のプレートは第１の焦束レンズの両側にある。好ましい実施例において、第３および第４のプレートは陽極に最も近いエッジにおいて円弧状である。このような円弧状のエッジにより、電子ビームが扇形になることがさらに促進される。ビームの調整はまた、第３のプレートと第４のプレートとの間の距離を調節し、フィラメントからの、かつ第１および第２のプレートの各々からの、各外側プレートの距離を調節するための手段を設けることによって可能である。外側プレートの位置を調節することにより、電子ビームの焦点が幅方向に変化し得る。
第１、第２、第３および第４のプレートは互いに、かつフィラメントに対して平行である。しかしながら、平坦な陽極が用いられる場合には、扇形内での電子の位置に依存して、電子はフィラメントから陽極までの距離を変化させながら
電子ビームデバイスは、デバイスの、排気された本体からビームを照射させる窓を含む。照射ビームは、表面処理または接着剤の硬化のために独立して、または他の電子ビームデバイスと組合せて用いることができる。デバイスの電子ビームの長さを制限するために、ビームアパーチャを有するフィラメント被覆部材をフィラメントのレベルに固定して、フィラメントの全長に沿った電子放出を防止するようにしてもよい。
決定的に重要ではないが、プレートの対の一方または両方の２つのプレートに異なった電位を確立してもよい。たとえば、第３および第４のプレートの電位の選択を、照射ビームとデバイスのビーム窓とを整列させるためのステアリング機構として用いてもよい。１つの実施例において、第３および第４のプレートは互いに分離され、別個のバイアス電源に接続される。受動的な実施例では、バイアス電源が第３のプレートに接続され、この第３のプレートは、ビームを整列させるように選択された１つまたはそれ以上の抵抗器によって第４のプレートに電気接続される。
ビームのステアリングおよび整列はまた、デバイスを通るビーム経路に沿って磁界を形成することによりもたらすことができる。所望のビーム整列が達成された後に、定位置に固定された１つまたはそれ以上の磁気構造を用いて個々のデバイスを微調整することにより、デバイスのコンポーネントの製造公差を幾分緩和することができる。
この発明の利点は、排気された電子ビームデバイスから照射されたビームの長さがデバイス内のフィラメントの長さに制限されないことである。この結果、制御された長さを有するビームを幅方向に十分に焦束することができる。幅方向の焦束はプレート間の間隔およびプレートの電位に依存する。１つの実施例において、内側および外側プレートは電気接続され、このためプレートの電位は同じである。これにより、排気されたデバイスの内部への電気接続が簡単になる。しかしながら、用途によっては内側および外側プレートに異なった電位を確立することが有益であろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明に従った電子ビームデバイスを示す切取側面図である。
図２は、図１の図に対して垂直に配向された電子ビームデバイスの上部分を示す切取側面図である。
図３は、図２の外側焦束レンズを示す側面図である。
図４は、図３の焦束レンズを示す上面図である。
図５は、図２の内側焦束レンズを示す側面図である。
図６は、図５の焦束レンズを示す上面図である。
図７は、図１の電子ビームデバイスを示す切取斜視図である。
図８は、この発明に従った電子ビームデバイスの第２の実施例を示す切取斜視図である。
発明を実施するための最良モード
図１を参照して、電子ビームデバイス１０は排気されたチャンバ１４を規定する管本体１２を含む。電子ビームデバイスは管本体の内部から外にビームを照射するタイプのものである。ビームはガス不透過性膜１６を通して発射される。膜はフィラメント１８から電子を引きつける陽極としての役割を果たすｎ型シリコンウエハであってもよい。これに代えて、別個の陽極２０が含まれてもよい。
フィラメント１８は管本体１２内に中央に位置づけられる。フィラメントは陽極２０の電位に対して高値の負の電位に維持される熱電子部材である。許容できるフィラメントと陽極との電位差は−１０〜−２００キロボルトの範囲内である。電子ビームデバイス１０の下側は電気ピンのアレイである。ピンは機械的な支持および電気的な相互接続をもたらすよう機能する。フィラメントピン２２および第２の隠れピンは金属−ガラスシールなどによって管本体１２に接続される。２つのピンは貫通保持電極（feed-througn carrying electrode）２４および２６に接続される。電極は電気絶縁性ブロック２８内でフィラメント１８に接続され、熱電子放出によって電子を発生するようにする。
支持ピン３０および３２は絶縁性ブロック２８に対する支持をもたらし、この絶縁性ブロック２８は陰極アセンブリ３４を支持する。支持ピンの上端は外側がねじ切りされ、所望の機械的な支持を達成するようナット３６の使用を可能にする。しかしながら、陰極アセンブリ３４を除いては、この構造はいずれもこの発明の使用に必要ではない。
陰極アセンブリ３４はフィラメント１８で発生した電子を加速するために用いられる。陰極アセンブリに対する負の電位が陰極ピン３８に印加され、この陰極ピン３８は図１に示されない接続部によって電極ワイヤ３９に装着される。膜１６は中央の窓４０を含む。膜は管本体１２の上に置かれるが、管本体の内部に取付けられてもよい。図示されない長方形の導電性フレームが膜に結合されて、陰極アセンブリ３４に対する正の電位が電極２０に印加されるようにする。接地電位であってもよいこの電極によりフィラメント１８から電子が引きつけられる。導電性支持フレームは窓の外周部に接続され、電子を引きつける窓に電界をもたらす。取付けプレートまたは任意の便利な供給源によって局所的な接地電位が供給される。管本体はガラスまたは何らかの他の誘電体によって形成されてもよく、窓の境界からの電界の透過を可能にする。接地電位は電極アセンブリに対しておよそ５０キロボルトだけ正であってもよく、これにより陰極アセンブリと窓との間に電界を確立する。窓は電子浸透性であるため、フィラメント１８からの電子は窓を通って照射される。電子のうち実質的にすべてが窓を通過するため、導電性フレームは少ししか電流を引出さない。ピン２２、３０、３２および３８を除くと管の長さはおよそ１５ｃｍであろう。管本体１２の円周方向の大きさは８ｃｍであろう。しかしながら、これらの大きさはいずれも決定的に重要ではない。
他の電子ビーム硬化装置に対する、この管の設計の利点の１つは、比較的低いビーム電圧を用いることができる点である。５０キロボルトのビームにはポリマを通る透過力が少ししかない。ビームエネルギの大半はポリマの架橋結合および硬化に用いられる。
次に図１および図２を参照して、陰極アセンブリ３４は１対の内側プレート４４および４６ならびに一対の外側プレート４８および５０を含む。内側および外側プレートは電子ビームを整形するよう協働する。フィラメント１８は円弧状であるため、フィラメントから陽極２０へと進行する電子は扇形であり、すなわちフィラメントから離れるにつれて長さが増加する。しかしながら、好ましくは、フィラメントアセンブリはフィラメントの長さのうちごく一部分しか露光しないビームアパーチャを有する被覆部材を含む。ビームアパーチャによりビームの長さが制限される。内側プレートがフィラメントの両側にあり、負に帯電されているため、プレートは放出された電子を加速することとなる。個々の電子は内側プレート４４および４６の上エッジに対して垂直な方向に加速され得る。上エッジが湾曲されているため、垂直な方向は個々の電子の位置に依存する。好ましくは、フィラメント１８の曲率は内側プレート４６および４８のエッジの曲率に対応する。この結果、放出された電子ビームは拡散し続けることとなる。
外側プレート４８および５０もまた円弧状の上エッジを含む。プレートは図３および図４に最良に示される。外側プレートの高さは０．４０インチ（１０．１６ｍｍ）であってもよい。１つの実施例において、各プレートは０．０１インチ（０．２５ｍｍ）の厚さを有し、非金属ステンレス鋼を含む。プレートは外側プレートを取り付けるための１対の孔５４を有するベース５２によって接続される。各プレートの長さは０．６８５インチ（１７．４ｍｍ）であってもよい。
内側プレート４４および４６の構成が図５および図６に示される。１つの実施例において、各内側プレートは０．２４インチ（６．０９ｍｍ）の高さを有し、０．０１インチ（０．２５４ｍｍ）の厚さを有する。プレートとプレートを接続するベース５６とは非金属ステンレス鋼の一体的な設計である。ベースの各端部には、図４の孔５４に整列し得る切取部５８がある。この態様で、外側プレート４８および５０は内側プレートに電気接続され、電子ビームデバイスの動作時に４つのプレートが同じ電位に維持されることを確実にする。
図１から図６を参照して、一対の内側プレート４４および４６ならびに一対の外側プレート４８および５０の各々は長手方向の対向端部において開放されているため、フィラメント１８によって放出されたビームはフィラメント１８の曲率およびプレートの上エッジの曲率によって制御された態様で長さ方向に拡張し得る。先に留意したとおり、フィラメントのうち設定された部分のみを露光するビームアパーチャを有するフィラメント被覆部材をアセンブリが含み、プレートによって制御されるビームの長さを制限するようにすることが最適である。電子ビームの幅方向の制御は、フィラメント１８、１対の内側プレートおよび１対の外側プレートの相対的な位置および相対的な電位を含む多くの要素によって決定する。１つの実施例において、内側プレート４４および４６は０．０８インチ（２．０３ｍｍ）だけ互いに隔てられ、かつフィラメントから等距離だけ隔てられ、外側プレートは０．２５インチ（６．３５ｍｍ）の距離だけ互いに隔てられ、かつフィラメントから等距離だけ隔てられる。図２に線６０で概略的に示されるように、この実施例により、幅方向の電子ビームの焦束が引起こされる。この発明は１つの電位における内側および外側プレートを有するものとして説明されたが、内側プレートと外側プレートとを電気的に絶縁して異なった電圧を印加することにより、幅方向の焦点をさらに制御することができる。また、プレートの位置はフィラメントに対しかつ互いに対して調節することができ、これによりビームの制御における調節が可能になる。たとえば、外側プレートは、外側プレートを内側または外側に摺動する態様で接続されてもよい。
先に留意したとおり、フィラメント１８を離れる際の、放出された電子ビームの長さの増加は、フィラメントならびに内側および外側プレート４４、４６、４８、および５０の上エッジの曲率によって制御される。ビーム内の個々の電子はプレートのうち局所的な領域に対して垂直な角度で加速される。上記の実施例において、内側プレートの半径は０．２２インチ（５．５９ｍｍ）であり、外側プレートの半径は０．３７インチ（９．４ｍｍ）である。好ましくは、フィラメント、内側プレートおよび外側プレートすべてにより共通軸が規定される。しかしながら、これは決定的に重要ではない。実際、プレートの円弧状エッジによって扇形が規定されるため、フィラメントが線形であれば扇形のビームを形成することができる。
動作時には、図７に示されるように、フィラメント１８により窓４０の方向に電子が発生および放出される。プレート４４、４６、４８および５０の端部は開放されている。この結果、フィラメントからの電子ビームは、例としての電子６２および６４の経路によって示されるように長さ方向に拡張される。一方、ビームは、例としての電子６６および６８によって示されるように幅方向に焦束される。扇形のビームが形成される。ビームの形状により、電子ビームデバイス１０が、管本体１２内でフィラメントの長さよりも長いビームを照射するようになる。フィラメントが処理ビームの長さに匹敵する長さを有する必要なく所望の表面処理領域が得られる。
上述の実施例において、正に帯電した陽極は平坦である。このため、発生した電子ビームの長さ方向の両端における電子ビームの中心または中心付近の電子ビームよりも長い距離進行しなければならない。用途によっては、電子の進行を均等化する湾曲した陽極を提供することが有益であろう。これに代えて、内側および／または外側プレート４４、４６、４８および５０はビームの中心から離れる際の電子の加速度を高めるような形態であってもよい。次の図８に参照して、上エッジだけでなく主面に沿っても湾曲する外側プレート７２および７４を有するものとして電子ビームデバイス７０が示される。すなわち、外側プレートと内側プレート７６および７８との間の距離はプレートの中心で最大であり、中心から離れるにつれて減少する。結果として生じた電界により、ビームの中心よりも扇形の電子ビームの長さ方向の端部での加速が大きくなる。フィラメント８０で発生した電子は管本体８４の排気チャンバから窓８２を通して照射される。外側プレート７２および７４の形態はデバイス７０の、正に帯電した陽極上にビームをよりよく焦束する。
図８の実施例において、外側プレート７２および７４は絶縁性部材８６によって互いに電気的に分離される。電気的に分離することにより、ある程度ビームをステアリングできるようになる。プレートに適切な関係の電位を選択することにより、電子ビームを必要に応じて窓８２に当たるよう整列することができる。所望の関係のバイアス電圧を確立するために抵抗器８８または抵抗器ネットワークを採用してもよい。この受動的な実施例には、バイアス電圧の外部供給源への単一接続部が必要である。能動的な実施例において、プレートは別個の供給源に接続される。能動的な実施例によりデバイスごとの整列調節が容易になる。
図８にはオプションとしての磁気部材９０がさらに示される。磁気部材は窓８２への電子ビーム経路に延びる限界を有する。１つまたはそれ以上の当該磁気部材を必要に応じてデバイス７０の側部に固定し、照射ビームを窓に適切に整列させてもよい。デバイスコンポーネントの製造および組立ては異なることが多いため、この位置づけはデバイスによって異なるだろう。したがって、磁気部材の使用により製造公差の緩和が可能になる。

Claims (8)

1. 排気チャンバを規定するガス不浸透性本体と、
   前記排気チャンバ内にあり、あるビーム長さとビーム幅とを有する電子ビームを発生するためのフィラメント手段とを含み、前記フィラメント手段はそれにより前記排気チャンバ内に長さ方向と幅方向とを規定するとともに、円弧状に形成され、さらに、
   前記フィラメント手段に対して位置づけられ、前記排気チャンバ内にビーム経路を規定するよう前記電子ビームを引きつけるための陽極と、
   前記フィラメント手段の両側に第１および第２のプレートを有する第１の焦束レンズとを含み、前記第１および第２のプレートの各々は前記陽極手段に近接するエッジが円弧状であるとともに、前記第１のプレートおよび第２のプレートは平坦であって、かつ前記フィラメント手段に対して平行であり、さらに、
   前記第１の焦束レンズの両側に第３および第４のプレートを有する第２の焦束レンズを含み、前記第３および第４のプレートの各々は前記陽極手段に近接するエッジが円弧状であるとともに、前記第３および第４のプレートは平坦であって、かつ前記フィラメント手段および前記第１および第２のプレートに対して平行であり、前記第２の焦束レンズは前記フィラメント手段から前記陽極手段への方向に前記第１の焦束レンズの外側まで延びる、電子ビームデバイス。
2. 前記第１、第２、第３および第４のプレートが、物理的に隔てられ、かつ互いに電気接続される、請求項１に記載の電子ビームデバイス。
3. 前記ガス不浸透性本体に接続された電子窓をさらに含み、
   前記電子窓は、前記電子ビームが前記電子窓を通って通過できるように前記陽極に対して位置づけられる、請求項１に記載の電子ビームデバイス。
4. ビーム幅よりも長いビーム長さを有する電子ビームを放出するための、ガス不浸透性でありかつ電子浸透性である窓を有する排気管と、
   前記排気管内に電子を発生するための円弧状フィラメントと、
   前記円弧状フィラメントから前記窓に電子を方向づけるように前記真空管内に位置づけられた陽極と、
   前記円弧状フィラメントから前記陽極に扇形の電子ビームを伝搬するための１対の内側プレートと１対の外側プレートとを有する陰極手段とを含み、前記１対の内側プレートは前記円弧状フィラメントの両側にある第１および第２のプレートであり、前記１対の外側プレートは前記１対の内側プレートの両側にある第３および第４のプレートであり、前記プレートの各々は、互いに平行な関係に配置されるとともに、前記扇形の電子ビームを伝搬するための円弧状のエッジ領域を有する、電子ビーム放出デバイス。
5. 前記内側および外側プレートが、等しい電位に保たれるよう接続される、請求項４に記載の電子ビーム放出デバイス。
6. 幅よりも大きな長さを有する電子ビームを発生するための電子ビームデバイスの陰極であって、
   長さ方向および幅方向に、扇形の形状を有する電子ビームを放出するための円弧状領域を有するフィラメントと、
   前記フィラメントの両側に平行に配置される第１および第２の内側プレートとを含み、前記内側プレートは前記長さ方向に延び、前記長さ方向および幅方向に対して垂直な第１の高さを有し、さらに
   前記内側プレートの両側に平行に配置される第３および第４の外側プレートを含み、前記外側プレートは前記長さ方向に延び、前記長さ方向および幅方向に対して垂直であり、かつ前記第１の高さよりも大きな第２の高さを有し、
   前記内側および外側プレートの各々は、前記第１および第２の高さを規定する上端部に円弧状エッジを有することを特徴とする、陰極。
7. 前記フィラメントの前記円弧状エッジが第３の高さを有し、前記フィラメントならびに前記内側および外側プレートの前記上端部が前記幅方向に平行に配置された、請求項６に記載の陰極。
8. 前記内側および外側プレートが電気接続される、請求項６に記載の陰極。

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