JP4073158B2

JP4073158B2 - 電子ビーム装置

Info

Publication number: JP4073158B2
Application number: JP2000277849A
Authority: JP
Inventors: 下健一山; 武利夫力; 野善夫真
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2020-09-13
Also published as: JP2002093356A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、被照射物上での電子ビームの集束性を向上させた電子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム装置として、坩堝中に収容された物質に当てることにより物質を蒸発させ、蒸発粒子を基板上に付着等させたり、或いは、加速した電子ビームをターゲットに衝突させることにより、ターゲットに溶接等の加工を行ったりする装置がある。
【０００３】
図１は、この様な電子ビーム装置の一例として、電子ビーム蒸発装置の概略を示したもので、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【０００４】
図中１Ａ，１Ｂは、永久磁石２を挟んで平行に配置された磁極板で、前記永久磁石２によりＮ極とＳ極に励磁されている。該磁極板間には、蒸発物質３が収容された坩堝４が設けられている。該坩堝の下には、電子銃５が設けられている。該電子銃はフィラメント６，グリッド７及びアノード８から成る。９はフィラメント加熱電源、１０は加速電源である。尚、１１はグリッド支持板である。１２は環状鉄心にＸ方向走査用偏向コイルとＹ方向走査用偏向コイルが巻かれた走査用電磁コイル体で、前記電子銃５からの電子ビームの通路上に配置されている。尚、この走査用電磁コイル体は、例えば、磁極１Ａ，１Ｂの間で坩堝４の近くに取り付けられた非磁性製のホルダー（図示せず）によって支持されている。１３は該走査用電磁コイル体に走査用の電流を流すための走査用電源である。尚、図示しなかったが、グリッド７とフィラメント６の間には引き出し電源（図示せず）から正の引き出し電圧が印加されてる様に成っている。
【０００５】
この様な装置において、電子銃５のフィラメント６から発生された電子ビームは、グリッド７により引き出され、更に、アノード８によって加速され、磁極１Ａ，１Ｂが作る磁場により２７０°前後曲げられ坩堝４内に収容された蒸発物質３に照射される。その際、電子銃５からの電子ビームは走査用電磁コイル体１２が作る二次元方向走査用磁場を通過するので、電子ビームは蒸発物質３上を二次元方向に走査することになる。この結果、蒸発物質３は電子ビームにより加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、例えば、坩堝４上方に配置された基板（図示せず）上に付着する。
さて、この様に電子照射により蒸発物質を蒸発させる電子銃のフィラメント（電子放出部）としては、一般に低電圧で大電力のビーム（即ち、ビーム電流の大きいビーム）が得られるように、大きいものが使用されている。例えば、図３に示す様な渦巻き状のものが用いられる。
【０００６】
所で、電子照射による蒸発物質の蒸発時、蒸気の一部が電子ビームの衝撃によりイオン化する。通常、蒸発物質は金属なので、これらのイオンは＋イオンである。これらの＋イオンは図２に示すフィラメント６から坩堝４内の蒸発物質３の間の電子ビームの偏向軌道（実質的に導体となっている）１４の中心軸Ｏに沿って負の電位のフィラメント６に向かう。そして、これらの＋イオンは、フィラメント６の中心部分（第３図のＫの部分）に当たり、該部分をスパッタしてしまう。その為に、該部分が細くなるので該部分に過電流が流れ、やがて溶断してしまい、フィラメントを新しいものに交換しなければならない。この様な溶断が蒸着操作中に起こると、その蒸着膜は不良品となるばかりではなく、この様な溶断によるフィラメントの交換は経済的にも操作的にも著しく不利である。まして、この様な溶断が短時間で起こると、極めて大きな問題となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、例えば、図４に示す様に、中心部分（前記図３のＫに当たる部分）の空いたフィラメント６Ａを使用すれば、この様な問題を解決することは出来る。但し、この様な構成のフイラメントでは電子量不足が心配されるので、例えば、図５に示す如く、コイル状フイラメントを環状に形成し、環の中心軸方向に電子を取り出すように成したフィラメント６Ｂも提案されている（特願平１１−３５８６４２号）。
【０００８】
しかし、図４及び図５に示す何れのフィラメントを使用した場合においても、次の様な問題がある。
【０００９】
図６は中心部分の空いたフィラメント６´を使用した電子銃のフィラメント６´からの電子ビームの進む方向を示したもので、図中７´は該フィラメントに対して数１０〜数１００Ｖの引き出し電圧が印加されているグリッド、８´はフィラメント６´に対し数ＫＶ〜数１００ＫＶの加速電圧が印加されているアノードである。この様な電子銃においては、フィラメント６´とグリッド７´の間の等電位面は１５に示す様に、電子光学的中心軸Ｏの周辺部に対応した部分がフィラメント６´側に凸の形状となる。さて、フィラメント６´が加熱されることにより該フィラメント６´から発生した熱電子は、グリット７´によって引き出され、更に、アノード８´によって加速されるわけであるが、この際、フィラメント６´から発生した熱電子は、前記フィラメント６´とグリッド７´の間に形成された等電位面１５を横切るように進むので、１６に示す様に、一旦電子光学的中心軸Ｏ上で交差し、そこから発散していく。従って、坩堝４内に収容された蒸発物質３上を電子ビームで二次元的に走査する場合に、単位断面積当たりの電子密度が著しく低い、いわゆる著しくぼけた電子ビームで走査されてしまい、蒸発物質の蒸発自体に支障を来す。
【００１０】
本発明は、この様な問題点を解決する為になされたもので、新規な電子ビーム装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく電子ビーム装置は、電子放出部の一部が空けられたフィラメント，グリッド及びアノードを有する電子銃を備えた電子ビーム装置において、前記電子放出部に空けられた空間部分において、その先端面が前記電子放出部の先端面に比べて前記アノードから離れて置するように配置された電位補正用電極を前記グリッドに取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明に基づく電子ビーム装置の前記電位補正電極は前記フィラメントの材料とは異なった高融点材料から成ることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図７（ａ）は本発明の主要部の一例として示した電子銃の主要部の概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１５】
図中２０は、中心部が空けられた渦巻き状のフィラメント、２１はグリッド、２２はアノードで、フイラメント２０の空間部２０Ｓの中心、グリッド２１の孔２１Ａの中心、アノード２２の孔２２Ａの中心が、大体、電子光学的中心軸Ｏ上に位置するように、フィラメント２０，グリッド２１及びアノード２２が互いに適当な間を開けて配列されている。前記フイラメント２０の中心に空けられた空間部２０Ｓの部分には、その先端面がフイラメント２０の先端面より僅かに反アノード側に配置された棒状の電位補正用電極２３が設けられている。この電位補正用電極２３はイオン衝撃等に強い、例えば、炭素の如き高融点の金属から成り、グリッド２１に取り付けられている。尚、前記電位補正用電極２３は、前記空間部２０Ｓにおけるグリット２１とフイラメント２０の間の等電位面が電子光学的中心軸Ｏに対しほぼ垂直になるように、その先端面の位置を調整して配置する。
【００１６】
この様な電子銃を図１及び図２に示す電子ビーム蒸発装置の電子銃として使用すると、フィラメント２０から発生された電子ビームは、グリッド２１により引き出され、更に、アノード２２によって加速され、磁極１Ａ，１Ｂが作る磁場により２７０°前後曲げられ坩堝４内に収容された蒸発物質３に照射される。その際、電子銃５からの電子ビームは走査用電磁コイル体１２が作る二次元方向走査用磁場を通過するので、電子ビームは蒸発物質３上を二次元方向に走査することになる。この結果、蒸発物質３は電子ビームにより加熱されて蒸発し、その蒸発粒子が、例えば、坩堝４上方に配置された基板（図示せず）上に付着する。
【００１７】
さて、この様な電子銃においては、フイラメント２０の中心に空けられた空間部２０Ｓの部分に、その先端面がフイラメント２０の先端面より僅かに反アノード側に配置され、グリッド２１と同電位の棒状の電位補正用電極２３が設けられているので、フィラメント２０とグリッド２１の間の等電位面は、図８の２４に示す様に、電子ビームの中心軸Ｏの周辺部に対応した部分がフィラメント６´側に凸の形状とならず、この部分はほぼ中心軸Ｏに垂直な形状となる。従って、フィラメント２０から発生した熱電子は、前記フィラメント２１とグリッド２１の間に形成された等電位面２４を横切るように進むので、２５に示す様に、電子ビームは中心軸Ｏにほぼ平行に進んでいく。その結果、坩堝４内に収容された蒸発物質３上を電子ビームで二次元的に走査する場合に、単位断面積当たりの電子密度が著しく高い電子ビームで走査されることになる。
【００１８】
尚、前記例では、電位補正用電極２３をグリッド２０に取り付け、該電位補正用電極２３の電位をグリッド２０と同電位になるようにしているが、電位補正用電極２３をフィラメント２０に取り付け、電位補正用電極２３の電位がフィラメント２０の電位と同電位に成るようにしても良い。しかし、一般にフィラメントはＷ（タングステン）製であり、その電子放出面の直径が１０ｍｍ〜１５ｍｍ極めて小さいので、その電子放出面の中心部を空けて、そこに、フイラメントと材質の異なる（炭素の如き高融点材料）電位補正用電極を取り付けること自体極めて困難である。又、譬え、溶接等により取り付けることが出来たと仮定しても、フィラメント加熱時（大体、数１０００℃前後）に電位補正用電極が取れてしまう恐れがある。
【００１９】
その点、グリッド支持板を含めたグリッド全体は大きいので、該グリッドに電位補正電極を取り付けることは容易であり、しかも、フィラメントとグリッドの間の電位差は小さく、グリッドがフィラメントに対して僅かに正電位にあるので、前記正電位に対応した分、電位補正用電極の先端面がフイラメント２０の先端面より、反アノード側に位置する様に配置すれば、フイラメント２０とグリッド２１の間の等電位面が電子ビーム中心軸Ｏに対してほぼに垂直になる。
【００２０】
図９及び図１０は、本発明の主要部の他の例として示したものである。
【００２１】
図９は、図５に示す様なコイル状フイラメントを環状に形成し、環の中心軸方向に電子を取り出すように成したフィラメン２５の空間部２５Ｓに、電位補正用電極２６を配置させたもので、フィラメント２５とグリッド（図示せず）の間の等電位面が電子光学的中心軸にほぼ垂直になるように、該フィラメントの先端面より少し反アノード側に配置される。
【００２２】
図１０は、フィラメント２７はコイル状に巻かれつつリング形状を成すように形成されているが、１／２程度までリング状に形成したフィラメント２７の空間部２７Ｓに、電位補正用電極２８を配置させたもので、フィラメント２７とグリッド（図示せず）の間の等電位面が電子光学的中心軸にほぼ垂直になるように、該フィラメントの先端面より少し反アノード側に配置される。
【００２３】
尚、本発明の電子ビーム装置として電子ビーム蒸発装置を例に上げたが、電子ビーム溶接装置等の加工装置等にも本発明は適用出来ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子ビーム装置の一例として、電子ビーム蒸発装置の概略を示したものである。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】従来のフィラメントの一概略例を示したものである。
【図４】従来のフィラメントの一概略例を示したものである。
【図５】最近提案されたのフィラメントの一概略例を示したものである。
【図６】従来の電子銃の動作の説明に使用した図である。
【図７】本発明の主要部を成す電子銃の一概略例を示したものである。
【図８】本発明の主要部を成す電子銃の動作の説明に使用した図である。
【図９】本発明の主要部を成す電子銃のフイラメントの一概略例を示したものである。
【図１０】本発明の主要部を成す電子銃のフィラメント一概略例を示したものである。
【番号の説明】
１Ａ，１Ｂ…磁極板
２…永久磁石
３…蒸発物質
４…坩堝
５…電子銃
６，６Ａ，６Ｂ，６′，２０，２５，２７…フィラメント
７，７′２１…グリッド
８，８′２２…アノード
９…フィラメント加熱電源
Ｏ…電子光学的中心軸
１０…加速電源
１１…グリッド支持板
１２…走査用電磁コイル体
１３…走査用電源
１４…偏向軌道
１５，２４…等電位面
２０Ｓ，２５Ｓ，２７Ｓ…空間部
２１Ａ，２２Ａ…孔
２３，２６，２８…電位補正用電極

Claims

電子放出部の一部が空けられたフィラメント，グリッド及びアノードを有する電子銃を備えた電子ビーム装置において、前記電子放出部に空けられた空間部分において、その先端面が前記電子放出部の先端面に比べて前記アノードから離れて位置するように配置された電位補正用電極を前記グリッドに取り付けた電子ビーム装置。
前記電位補正電極は前記フィラメントの材料とは異なった高融点材料から成る請求項１に記載の電子ビーム装置。
前記フィラメントは渦巻き状に形成された請求項１に記載の電子ビーム装置。
前記フィラメントは、コイル状に巻かれて環状に形成されており、環の中心軸方向に電子を取り出すように成した請求項１に記載の電子ビーム装置。