JP4307304B2 - ピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法 - Google Patents
ピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができるピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法に関する。
ピアス式電子銃は、フィラメント、カソード、ウェネルト、および、アノードを電子ビーム発生部とする電子銃であり、真空蒸着装置の他、電子線描画や露光装置などにも応用されている。
ところで、例えば、ピアス式電子銃を真空蒸着装置に使用してＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの金属酸化物の蒸着被膜をガラス基板などの基板の表面に形成する際、電子ビームを構成する熱電子が蒸着室内部の水分、残留ガス、蒸発粒子などと衝突することでイオンが発生することがある。こうした場合、発生したイオンはカソードに向かって逆流してカソードに衝突し、カソードをスパッタする。スパッタされたカソード成分が周辺に飛散してエミッタアッセンブリ内の高圧部に付着するなどすると、これに起因して異常放電が発生する。また、スパッタされたカソード成分がアノードに付着すると、付着した成分がアノードから剥がれて異常放電の原因になることもある。さらに、このような現象がたびたび起こると、カソードにはイオンが衝突したことによる衝突孔が形成され、次第に電子ビームの発生効率を低下させる。従って、長時間にわたって所定の膜厚の被膜を形成するためには、ビーム電流値を時間とともに増加させる必要が生じる。
そこで、このような問題を解消するために開発されたピアス式電子銃として、図４にその概略構成を示したようなものがある。このピアス式電子銃は、カソード１２に向かって逆流してくるイオンＺを通過させるための貫通孔Ｘをカソード１２に予め設けておくことでイオンＺがカソード１２に衝突することを防ぐとともに、カソード１２の後方にカソード１２を通過したイオンＺを衝突させて捕集するための捕集孔Ｖを設けたイオンコレクタ１５を配置することで、電子ビームＹの発生効率を長時間にわたって一定に維持せしめるように構成したものである（例えば下記の特許文献１を参照）。
特開２００４−１４２２６号公報
しかしながら、以上のような手段を講じたピアス式電子銃であっても、時として異常放電を引き起こすことがあり、電子ビームを安定に発生させることができない場合があった。
そこで本発明は、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができるピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法を提供することを目的とする。
そこで本発明は、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができるピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法を提供することを目的とする。
本発明者は上記の点に鑑みて種々の検討を行った結果、電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、所定形状の捕集孔を予め設けておくことで、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができることを知見した。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、本発明のピアス式電子銃は、請求項１記載の通り、電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔が予め設けてあることを特徴とする。
また、請求項２記載のピアス式電子銃は、請求項１記載のピアス式電子銃において、捕集孔の直径が１ｍｍ以上で、カソードの厚みが５ｍｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明の真空蒸着装置は、請求項３記載の通り、請求項１または２記載のピアス式電子銃を備えることを特徴とする。
また、本発明のピアス式電子銃の異常放電防止方法は、請求項４記載の通り、電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔を予め設けておくことを特徴とする。
また、請求項２記載のピアス式電子銃は、請求項１記載のピアス式電子銃において、捕集孔の直径が１ｍｍ以上で、カソードの厚みが５ｍｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明の真空蒸着装置は、請求項３記載の通り、請求項１または２記載のピアス式電子銃を備えることを特徴とする。
また、本発明のピアス式電子銃の異常放電防止方法は、請求項４記載の通り、電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔を予め設けておくことを特徴とする。
本発明によれば、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができるピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法が提供される。
以下、本発明のピアス式電子銃について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明のピアス式電子銃の一実施形態における電子ビーム発生部の概略構成である。本発明のピアス式電子銃の特徴は電子ビーム発生部にある。従って、電子ビーム発生部以外の部分は公知のピアス式電子銃に準じてよいので、その説明は省略する。
電子ビーム発生部はフィラメント１、カソード２、ウェネルト３、アノード４からなる。通常、フィラメント１は通電により２５００Ｋ程度にまで加熱される。フィラメント１とカソード２との間には６００〜１５００Ｖの電圧が印加されており、フィラメント１から発生した熱電子はカソード２の表面を電子衝撃する。カソード２はフィラメント１からの電子衝撃により２５００Ｋ程度にまで加熱され、表面から熱電子を発生させる。カソード２とアノード４との間には２０ｋＶ程度の電圧が印加されており、カソード２の表面から発生した熱電子はアノード４の方向に加速されて電子ビームＹが構成され、蒸発材料の蒸発ポイントなどに照射される。また、ウェネルト３はカソード２の表面から発生した熱電子をウェネルト３とアノード４との間に形成された電位勾配によってアノード４の方向に集束させる働きを担っている。
電子ビーム発生部はフィラメント１、カソード２、ウェネルト３、アノード４からなる。通常、フィラメント１は通電により２５００Ｋ程度にまで加熱される。フィラメント１とカソード２との間には６００〜１５００Ｖの電圧が印加されており、フィラメント１から発生した熱電子はカソード２の表面を電子衝撃する。カソード２はフィラメント１からの電子衝撃により２５００Ｋ程度にまで加熱され、表面から熱電子を発生させる。カソード２とアノード４との間には２０ｋＶ程度の電圧が印加されており、カソード２の表面から発生した熱電子はアノード４の方向に加速されて電子ビームＹが構成され、蒸発材料の蒸発ポイントなどに照射される。また、ウェネルト３はカソード２の表面から発生した熱電子をウェネルト３とアノード４との間に形成された電位勾配によってアノード４の方向に集束させる働きを担っている。
前述の通り、電子ビームＹを構成する熱電子が蒸着室内部の水分、残留ガス、蒸発粒子などと衝突するとイオンＺが発生し、このイオンＺはカソード２に向かって逆流してくる。そこで、カソード２に、カソード２に向かって逆流してくるイオンＺと、カソード２へのイオンＺの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔Ａを予め設けておく。これにより、カソード２に向かって逆流してくるイオンＺと、カソード２へのイオンＺの衝突によりスパッタされたカソード成分は、カソード２に設けられた捕集孔Ａの孔内に捕集される。この際、捕集孔Ａの直径に対する深さのアスペクト比を１．５以上とすることで、カソード２に向かって逆流してくるイオンＺが捕集孔Ａの孔内に衝突した際にカソード成分が飛散しても、カソード成分が捕集孔Ａの孔内から外部に飛散することはなく、異常放電が引き起こされることを効果的に防ぐことが可能となる。捕集孔Ａの直径に対する深さのアスペクト比が１．５未満であると、この効果が十分に発揮されず、カソード成分が捕集孔Ａの孔内から外部に飛散して高圧部に付着し、異常放電を引き起こす頻度が高くなる。なお、捕集孔Ａのこの作用をより確実なものとするためには、その直径は１ｍｍ以上であることが望ましく、直径に対する深さのアスペクト比がより大きい捕集孔Ａとするためには、カソード２の厚みは５ｍｍ以上であることが望ましい。
図２は本発明のピアス式電子銃を備えた真空蒸着装置の一実施形態における蒸着室の概略図である。この蒸着室は、キャリアに搭載された基板を蒸発源の上方を通過させることにより、基板の表面に蒸着被膜を形成するインライン式真空蒸着装置の蒸着室に相当する。ピアス式電子銃２２から蒸着室２１内部に向けて略水平方向に発せられた電子ビーム２３は、図略の偏向コイルによって偏向されて蒸発源である回転式リングハース２４内の蒸着材料の蒸発ポイントに照射され、蒸発流２５によりハース２４の上方に搬送されてきた基板３０の表面に蒸着被膜が形成される。本発明のピアス式電子銃は、蒸着室内部に水分、残留ガス、蒸発粒子などが存在し、電子ビームを構成する熱電子がこれらと衝突することでイオンが発生し、イオンがカソードに向かって逆流してきても、カソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、所定形状の捕集孔が予め設けてあるので、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができる。従って、基板の表面への蒸着被膜の形成も長時間にわたって安定かつ一定に行うことができる。なお、図２の蒸着室においては、ピアス式電子銃は基板の搬送方向の上流側（仕込室側）壁面に固設されているが、ピアス式電子銃を基板の搬送方向の側壁面に固設すれば、基板の搬送方向に列をなして任意の台数を固設できるので、基板の搬送方向に設けることができる蒸発ポイント数を容易に増加することができることから、タクトタイムの飛躍的な向上を図ることが可能となる。また、ピアス式電子銃を基板の搬送方向の上流側壁面に固設した場合と比較して、基板の搬送方向における蒸発ポイントの位置設定を任意に行うことができるので、隣接する蒸発ポイント間のピッチも任意に設定することができることから、基板の温度制御が容易となる。従って、蒸発源からの輻射熱による基板の温度上昇による割れなどを防止することが可能となる。
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明は以下の記載に何ら制限を受けて解釈されるものではない。
直径６ｍｍ×厚さ５ｍｍのタングステン製のカソードを有する２種類のピアス式電子銃を使用し、図２に示す構成を有するインライン式真空蒸着装置により、所定膜厚のＭｇＯの蒸着被膜をガラス基板の表面に形成した。２種類のピアス式電子銃の一方は図４に概略構成を示した従来のピアス式電子銃であり（電子銃１）、他方は図１に概略構成を示した直径１ｍｍ×深さ２ｍｍ（アスペクト比２．０）の捕集孔が予め設けてあるカソードを有する本発明のピアス式電子銃である（電子銃２）。各々のピアス式電子銃を使用して蒸着処理を開始した後、連続蒸着処理におけるビーム電流値の挙動を調べた。ガラス基板処理枚数に対する電流値の挙動の傾向を図３に示す。図３から明らかなように、電子銃１を使用した場合は、ビーム電流値は一定であるものの、異常放電が頻繁に起こり、ハース内のＭｇＯの蒸発ポイントに電子ビームを安定かつ一定に照射することができなかった。一方、電子銃２を使用した場合は、異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができたので、ハース内のＭｇＯの蒸発ポイントに電子ビームを安定かつ一定に照射することができた。
本発明は、長時間にわたって異常放電を引き起こすことなく電子ビームを安定かつ一定に発生させることができるピアス式電子銃、これを備えた真空蒸着装置およびピアス式電子銃の異常放電防止方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。
１，１１ フィラメント
２，１２ カソード
３，１３ ウェネルト
４，１４ アノード
１５ イオンコレクタ
Ａ，Ｖ 捕集孔
Ｘ 貫通孔
Ｙ 電子ビーム
Ｚ 逆流イオン
２１ 蒸着室
２２ ピアス式電子銃
２３ 電子ビーム
２４ 回転式リングハース
２５ 蒸発流
３０ 基板
２，１２ カソード
３，１３ ウェネルト
４，１４ アノード
１５ イオンコレクタ
Ａ，Ｖ 捕集孔
Ｘ 貫通孔
Ｙ 電子ビーム
Ｚ 逆流イオン
２１ 蒸着室
２２ ピアス式電子銃
２３ 電子ビーム
２４ 回転式リングハース
２５ 蒸発流
３０ 基板
Claims (4)
- 電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔が予め設けてあることを特徴とするピアス式電子銃。
- 捕集孔の直径が１ｍｍ以上で、カソードの厚みが５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のピアス式電子銃。
- 請求項１または２記載のピアス式電子銃を備えることを特徴とする真空蒸着装置。
- 電子ビーム発生部におけるカソードに、カソードに向かって逆流してくるイオンと、カソードへのイオンの衝突によりスパッタされたカソード成分を捕集するための、直径に対する深さのアスペクト比が１．５以上の捕集孔を予め設けておくことを特徴とするピアス式電子銃の異常放電防止方法。
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