JP6194178B2 - Electron gun and electron beam emission method - Google Patents
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Description
本発明は、電子銃及び電子ビームの放出方法に関し、より詳しくは、フィラメントの寿命を長くすることができる構造を持つもの及び電子ビームの放出方法に関する。 The present invention relates to an electron gun and an electron beam emission method , and more particularly to an electron gun having a structure capable of extending the life of a filament and an electron beam emission method .
従来から、真空チャンバ内の坩堝に収容された金属等の蒸発材料に電子ビームを照射してこの蒸発材料を蒸発させたり、または、加速した電子ビームを金属等のターゲットに衝突させてターゲットに溶接等の加工を行ったりするために電子銃が用いられている。このような電子銃は例えば特許文献1で知られている。このものは、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントを囲うと共にこのフィラメントが臨む開口を有して、放出される熱電子を収束するウェネルトと、ウェネルトの開口を含む面に対して直交する、ウェネルトの開口に向けて熱電子が放出される方向を前とし、ウェネルトの前方で熱電子の通過を許容する開口を有して、熱電子を加速するアノードとを備える。アノードとウェネルトとは、通常、それの開口の中心を通って前後方向にのびる軸線(孔軸線)が同軸線上に位置するように配置されている(特許文献1、例えば図1参照)。
Conventionally, the evaporation material such as metal contained in the crucible in the vacuum chamber is irradiated with an electron beam to evaporate the evaporation material, or the accelerated electron beam is collided with a target such as metal and welded to the target. An electron gun is used for processing such as the above. Such an electron gun is known from
ここで、上記構成の電子銃を真空蒸着装置に適用した場合を例に説明すると、蒸着中、真空チャンバ内には蒸発材料から蒸発したものや、真空チャンバ内の圧力(真空度)に相応したガスが残留しており、これらの蒸発物質や残留ガスに電子ビームが衝突することで電離して蒸発物質や残留ガスの陽イオンが発生する。発生した陽イオンは、カソードとしてのフィラメントに向かって加速され、この加速された陽イオンがウェネルトとアノードとで形成される電界レンズにより収束されてフィラメントの一部に集中して衝突する。そして、フィラメントが局所的に削られ、断線する。 Here, the case where the electron gun having the above-described configuration is applied to a vacuum deposition apparatus will be described as an example. During the deposition, the vacuum chamber is vaporized from an evaporation material and corresponds to the pressure (vacuum degree) in the vacuum chamber. Gas remains, and the electron beam collides with these vaporized substances and residual gas to ionize them to generate cations of the vaporized substance and residual gas. The generated cations are accelerated toward the filament as the cathode, and the accelerated cations are converged by the electric field lens formed by Wehnelt and the anode and collide with a part of the filament. Then, the filament is locally cut and disconnected.
上記従来例の如く、開口の孔軸線が同軸線上に位置するようにアノードとウェネルトとが配置されていると、加速電圧を印加したときにウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場は、孔軸線に対称なプロファイルとなって、陽イオンは、孔軸線に沿う軌道を通って(即ち、面方向に対して直交する方向から)衝突するようになる。そして、フィラメントを構成する線材の径分だけ削られると、断線してしまい、フィラメントの寿命が短いという問題がある。このような場合、ウェネルトの開口の前方でこの開口の片側にのみアノードを配置して陽イオンがフィラメントの一部に集中しないような電界レンズを形成することが考えられるが(所謂非対称型の電子銃)、このような非対称型では、電子ビームの引き出し効率が劣るという問題がある。 When the anode and Wehnelt are arranged so that the hole axis of the opening is located on the same axis as in the conventional example, a self-induction electric field generated in the space between the Wehnelt and the anode when an acceleration voltage is applied. Becomes a profile symmetric with respect to the hole axis, and the cation collides through a trajectory along the hole axis (that is, from a direction perpendicular to the plane direction). And if it cuts for the diameter of the wire which comprises a filament, it will break, and there exists a problem that the lifetime of a filament is short. In such a case, it is conceivable to form an electric field lens in which the anode is arranged only on one side of the opening in front of the Wehnelt opening so that cations do not concentrate on a part of the filament (so-called asymmetric type electrons). Gun), such an asymmetric type has a problem that the electron beam extraction efficiency is inferior.
本発明は、以上の点に鑑み、電子ビームを効率よく引き出すという機能を損なうことなく、フィラメントの高寿命化を図ることができる構造を持つ電子銃及び電子ビームの放出方法を提供することをその課題とするものである。 In view of the above points, the present invention provides an electron gun having a structure capable of extending the life of a filament without impairing the function of efficiently extracting an electron beam, and an electron beam emission method. It is to be an issue.
上記課題を解決するために、熱電子を放出するフィラメントと、フィラメントを囲うと共にこのフィラメントが臨む開口を有して、放出される熱電子を収束するウェネルトと、ウェネルトの開口を含む面に対して直交する、ウェネルトの開口に向けて熱電子が放出される方向を前とし、ウェネルトの前方で熱電子の通過を許容する開口を有して、加速電圧が印加されるアノードとを備える本発明の電子銃は次の点に特徴がある。即ち、本発明では、フィラメントとして金属製の線材をコイル状に巻回したものを用い、このフィラメントの外周面を臨むウェネルトの開口とアノードの開口とをフィラメントの母線方向に長手の長孔とし、アノードに加速電圧を印加すると、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場がアノードの開口の内周縁部側にシフトするように、アノードの開口中心を通る孔軸線とウェネルトの開口中心を通る孔軸線とをウェネルトの開口を含む面内で母線方向に直交する方向に0.1〜2.5mmの範囲でオフセットした。また、上記課題を解決するために、本発明は、真空中でフィラメントに通電して熱電子を放出させ、フィラメントを臨む開口が設けられたウェネルトによりこの放出させた熱電子を収束し、フィラメントを臨む開口が設けられたアノードに加速電圧を印加してこの収束された熱電子を加速して真空中に放出するようにした電子ビームの放出方法において、電子ビームの放出中、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせてこの電子ビームの放出に伴ってアノードの前方で発生する陽イオンをアノードの開口中心を通る孔軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突させる工程を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a filament that emits thermoelectrons, a Wenelt that surrounds the filament and has an opening facing the filament, and converges the emitted thermoelectrons, and a plane that includes the Wenelt opening. And an anode to which an acceleration voltage is applied, having an opening that allows the passage of thermoelectrons in front of the Wehnelt, which is perpendicular to the direction in which thermionic electrons are emitted toward the Wehnelt opening. The electron gun has the following features. That is, in the present invention, a filament made of a metal wire wound in a coil shape is used, and the Wehnelt opening and the anode opening facing the outer peripheral surface of the filament are elongated holes in the filament bus direction, When an acceleration voltage is applied to the anode, the self-induced electric field generated in the space between Wehnelt and the anode shifts toward the inner periphery of the anode opening, so that the hole axis passing through the anode opening center and the Wehnelt opening center Was offset in the direction perpendicular to the generatrix direction within a range of 0.1 to 2.5 mm within the plane including the Wehnelt opening. Further, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention allows the filament to be energized in a vacuum to emit thermoelectrons, and the emitted thermoelectrons are converged by Wehnelt provided with an opening facing the filament. In an electron beam emission method in which an accelerated voltage is applied to an anode provided with an opening to accelerate the focused thermoelectrons to be emitted into a vacuum, the electron beam is emitted during the electron beam emission. The self-induced electric field generated in the space between them is shifted toward the inner periphery of the anode opening, and the positive ions generated in front of the anode with the emission of this electron beam are directed to the hole axis passing through the center of the anode opening. The method includes a step of colliding with a filament from an inclined direction.
以上によれば、例えば上記各電子銃を真空蒸着装置に適用した場合、蒸着中、真空チャンバ内の蒸発物質や残留ガスに電子ビームが衝突して発生した陽イオンは、フィラメントに向かって加速されるが、ウェネルトの開口とアノードの開口とを面方向にオフセットしたり、または、ウェネルトの開口に対するアノードの開口の周縁部までの前後方向の間隔を局所的に変化させたりして、自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせることで、陽イオンが、ウェネルトの開口の中心を通って前後方向にのびる軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突するようになり、上記従来例のものと比較して、断線までの時間を長くすることができる。この場合、ウェネルトの開口の前方には、開口を備えたアノードが配置されているため、電子ビームを効率よく引き出すという機能は損なわれることがなく、フィラメントの高寿命化を図ることができる。 According to the above, for example, when each of the electron guns described above is applied to a vacuum deposition apparatus, the cations generated by the electron beam colliding with the evaporated substance or residual gas in the vacuum chamber during the deposition are accelerated toward the filament. However, the self-induction electric field may be generated by offsetting the Wehnelt opening and the anode opening in the plane direction or by locally changing the distance in the front-rear direction to the periphery of the anode opening with respect to the Wehnelt opening. Is shifted to the inner peripheral edge side of the anode opening, so that cations collide with the filament from a direction inclined with respect to an axis extending in the front-rear direction through the center of the Wehnelt opening. The time until disconnection can be lengthened as compared with the above. In this case, since the anode provided with the opening is disposed in front of the Wehnelt opening, the function of efficiently extracting the electron beam is not impaired, and the life of the filament can be increased.
なお、前記フィラメントを金属製の線材をコイル状に巻回したものとし、このフィラメントが臨むウェネルトの開口と、アノードの開口とを長孔で構成したものにおいては、前記オフセットする方向を両開口の長手方向に対して直交する方向としておけば、既存の電子銃の構成部品自体は変更することなく、フィラメントの高寿命化が図れる構成が実現できる。 In the case where the filament is a metal wire wound in a coil shape, and the Wehnelt opening facing the filament and the anode opening are formed by long holes, the offset direction is set to the both openings. If the direction is orthogonal to the longitudinal direction, a configuration capable of extending the life of the filament can be realized without changing the components of the existing electron gun.
以下、図面を参照して、図外の真空チャンバ内の坩堝に収容された金属等の蒸発材料に電子ビームを照射してこの蒸発材料を蒸発させるものに適用した場合を例に本発明の実施形態の電子銃を説明する。なお、以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図1を基準とする。 Hereinafter, referring to the drawings, the present invention is applied to an example in which the evaporation material such as a metal housed in a crucible in a vacuum chamber outside the drawing is irradiated with an electron beam to evaporate the evaporation material. The form of the electron gun will be described. In the following, terms indicating directions such as “up” and “down” are based on FIG.
図1〜図3を参照して、EGは、本発明の実施形態に係る電子銃である。電子銃EGは、熱電子を放出するフィラメント1と、開口21を有して、放出される熱電子を収束するウェネルト2と、ウェネルト2の開口21を含む面に対して直交する、ウェネルト2の開口21に向けて熱電子が放出される方向を前(図1中、右側)とし、ウェネルト2の前方で熱電子の通過を許容する開口31を有して熱電子を加速するアノード3とを備える。
1 to 3, EG is an electron gun according to an embodiment of the present invention. The electron gun EG includes a
フィラメント1としては、例えば、φ0.5mm〜1.0mmの範囲のタングステン製の線材を、φ2mm〜φ5mmの範囲の内径を持ち、かつ、全長が2.0mm〜30.0mmの範囲となるようにコイル状に巻回したものが用いられる。そして、フィラメント1の両自由端が、金属製の台座4に立設された、ウェネルト2を支持する支持板5に取り付けられる。この場合、一方のフィラメント1の自由端(上側)は、電気的に絶縁するために、例えば支持板5に形成された孔2aに挿通されている。また、フィラメント1の両自由端は電源E1に接続され、電源E1により通電されて赤熱し、熱電子を放出する。なお、フィラメント1の形態は、これに限定されるものではなく、線材を単にコ字状に屈曲させたものや、渦巻き状に巻回したものを用いることができる。なお、図1中、E2は、加速電圧を印加するための他の電源であり、電源E1,E2については公知の構造のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。
As the
ウェネルト2は、支持板5に前面に設けた筒状部材51を介して支持される板状部材2aで構成され、これら板状部材2a、支持板5及び筒状部材51でフィラメント1を囲う空間が画成される。そして、板状部材2aにフィラメント1が臨む開口21としての長円状の孔が開設されている。この場合、開口21の長手方向の長さは、フィラメント1の全長より長く設定され、他方、グランド電位に保持されるアノード3は、台座4で支持された板状部材で構成され、板状部材にもまた、開口21を通してフィラメント1が臨む開口31としての長円状の長孔が開設されている。この場合、開口31の内周縁部は、前方向に向かって末広がりなテーパ面に形成されている。なお、開口31の内周縁部は、テーパ状のものに限定されるものではない。そして、真空中でフィラメント1に通電することで赤熱させて熱電子を放出させ、ウェネルト2により集束作用を与えながら、アノード3によって加速され、図示省略の電磁コイルの磁場により180°曲げられた後、アース接地の坩堝6に収容した蒸発材料7に電子ビームEBが照射される。
The Wehnelt 2 is composed of a plate-
ここで、坩堝6に収容した蒸発材料7に電子ビームEBを照射して蒸着させている間、真空チャンバ内の蒸発物質や残留ガスの陽イオンが発生し、発生した陽イオンは、カソードとしてのフィラメント1に向かって加速され、この加速された陽イオンがウェネルト2とアノード3とで形成される電界レンズにより収束されてフィラメント1の一部に集中して衝突する。このとき、従来例の電子銃100では、図4に示すように、ウェネルト110の開口111と、アノード120の開口121との夫々の中心を通って前後方向(図4中、左右方向)にのびる孔軸線HA10,HA20が同一の軸線上に位置するようにウェネルト110とアノード120とが配置されていたため、電源E2により加速電圧を印加したときにウェネルト2とアノード3との間の空間に発生する自己誘導電場Efは、両孔軸線HA10,HA20に対称なプロファイルとなり、この自己誘導電場Efの影響を受けて、陽イオンが、孔軸線HAcに沿う軌道、即ち、ウェネルト110とアノード120との開口111,121を含む面方向に対して直交する方向からフィラメント130に衝突する(つまり、フィラメント130から開口121,111を通って放出される電子ビームEBに軌道に沿って陽イオンがフィラメント1側に戻って衝突する)ことで、フィラメント130を構成する線材の径分だけ削られると、断線してしまう。
Here, while the
本実施形態では、図3を再び参照して、ウェネルト2の開口21とアノード3の開口31とを面方向にオフセットし、自己誘導電場Efがアノード3の開口31の内周縁(下側の長手方向の縁部)側にシフトしたプロファイルを持つように構成した。つまり、台座4へのアノード3の取り付け位置を下側にオフセットすることで、ウェネルト2の開口21に対してアノード3の開口31を0.1〜2.5mmの範囲に下側にオフセットし、ウェネルト2の開口21の中心を通って前後方向(図3中、左右方向)にのびる孔軸線HA1と、アノード3の開口31の中心を通って前後方向(図3中、左右方向)にのびる孔軸線HA2とを上下方向にオフセットした。これにより、陽イオンが、孔軸線HA1,HA2に対して傾斜した方向からフィラメント1に衝突するようになる。その結果、上記従来例のものと比較して、断線までの時間を長くすることができる。この場合、ウェネルト2の開口21の前方には、開口31を備えたアノード3が配置されているため、電子ビームEBを効率よく引き出すという機能は損なわれることがなく、フィラメント1の高寿命化を図ることができる。
In this embodiment, referring again to FIG. 3, the
次に、上記効果を確認するために、上記電子銃EGを用いて以下の実験を行った。この場合、ウェネルト2の開口21に対してアノード3の開口31を0.5mmに下側にオフセットしたもの(発明品)と、ウェネルト2の開口21に対してアノード3の開口31をオフセットしないもの(従来品)とを用意した。そして、真空チャンバ内を真空雰囲気とし、10kV、300mAの出力でフィラメントに通電して発明品と従来品とで、断線までの時間を測定した。これによれば、従来品では約9時間で断線したが、発明品によれば30時間経過してもフィラメントが断線しないことが確認できた。
Next, in order to confirm the above effect, the following experiment was performed using the electron gun EG. In this case, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、既存の部品を用いて簡単な構造でウェネルト2の開口21に対してアノード3の開口31をオフセットしたものを例に説明したが、陽イオンが、孔軸線線HA1,HA2に対して傾斜した方向からフィラメント1に衝突させることができれば、その形態は問わない。例えば、図5(a)に示す第2態様の変形例では、ウェネルト2の開口21に対するアノード3の開口310a、310bの周縁部までの前後方向の間隔D1,D2を局所的に変化させることで、自己誘導電場Efが前後方向の間隔D2が異なる位置においてアノード3の開口31の内周縁側にシフトしたプロファイルを持つようになり、陽イオンが、傾斜した方向からフィラメント1に衝突するようにしている。また、図5(b)に示す他の変形例では、アノード3の開口320の内周縁部320a,320bの傾きを局所的に逆テーパ面となるように形成することで、陽イオンが、傾斜した方向からフィラメント1に衝突するようにしている。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said thing. In the above embodiment, an example in which the
EB…電子銃、Ef…自己誘導電場、1…フィラメント、2…ウェネルト、21…ウェネルトの開口、3…アノード、31…アノードの開口。 EB ... Electron gun, Ef ... Self-induction electric field, 1 ... Filament, 2 ... Wehnelt, 21 ... Wehnelt opening, 3 ... Anode, 31 ... Anode opening.
Claims (2)
フィラメントとして金属製の線材をコイル状に巻回したものを用い、このフィラメントの外周面を臨むウェネルトの開口とアノードの開口とをフィラメントの母線方向に長手の長孔としたものにおいて、
アノードに加速電圧を印加すると、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場がアノードの開口の内周縁部側にシフトするように、アノードの開口中心を通る孔軸線とウェネルトの開口中心を通る孔軸線とをウェネルトの開口を含む面内で母線方向に直交する方向に0.1〜2.5mmの範囲でオフセットしたことを特徴とする電子銃。 A Wenelt that has a filament that emits thermoelectrons, an opening that surrounds and faces the filament, and focuses the emitted thermoelectrons, and toward the Wenelt opening that is orthogonal to the plane that includes the Wenelt opening. An electron gun including an anode for accelerating thermoelectrons having an opening that allows the passage of thermoelectrons in front of Wehnelt in front of the direction in which thermionic electrons are emitted;
In a filament, a metal wire wound in a coil shape, and a Wehnelt opening facing the outer peripheral surface of the filament and an anode opening are elongated holes in the filament's generatrix direction,
When an acceleration voltage is applied to the anode, the self-induced electric field generated in the space between Wehnelt and the anode shifts toward the inner periphery of the anode opening, so that the hole axis passing through the anode opening center and the Wehnelt opening center An electron gun characterized by being offset in a range of 0.1 to 2.5 mm in a direction perpendicular to the generatrix direction in a plane including a Wehnelt opening with a hole axis passing through
電子ビームの放出中、ウェネルトとアノードとの間の空間に発生する自己誘導電場をアノードの開口の内周縁部側にシフトさせてこの電子ビームの放出に伴ってアノードの前方で発生する陽イオンをアノードの開口中心を通る孔軸線に対して傾斜した方向からフィラメントに衝突させる工程を含むことを特徴とする電子ビームの放出方法。During the emission of the electron beam, the self-induced electric field generated in the space between Wehnelt and the anode is shifted to the inner peripheral edge side of the opening of the anode, and the positive ions generated in front of the anode are generated as the electron beam is emitted. A method of emitting an electron beam comprising the step of colliding with a filament from a direction inclined with respect to a hole axis passing through an opening center of an anode.
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