KR100711529B1 - 아크-프리 전자총 - Google Patents

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윌리저레리에프
죤슨크리스토퍼에스.
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티에프아이 텔레마크
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Abstract

본 발명은 한정된 전자 스트림을 발생시키는 개량된 정전 필드, 한정된 전자 스트림을 최소 발산으로 도가니로 지시하는 개량된 자기장, 및 고전압 리드 상의 개량된 절연부를 제공함으로써 아크 방전을 방지하는 전자총에 관한 것이다. 상기 개량된 정전 필드는 필라멘트(24)에 인접하여 배열되어 상기 필라멘트(24)에 정렬된 음극 윈도우(22)를 형성하는 음극판(20)에 의해 제공된다. 상기 음극판(20)에 인접하여 배열된 양극판(28)은 상기 음극 윈도우(22)에 정렬되는 양극 윈도우(30)를 형성한다. 상기 음극판(20)과 양극판(28)은 필라멘트(24)로부터 방출된 전자들이 최소 발산으로 상기 음극 및 양극 윈도우를 통해 지시되는 정전 필드 및 렌즈 효과를 형성한다. 상기 개량된 자기장은 한 쌍의 자극, 상기 자극으로부터 각각 연장하는 한 쌍의 연장판, 및 전자 스트림의 통로를 향해 상기 연장판으로부터 연장되는 복수의 연장 부재를 갖는 자석에 의해 제공된다.
진공 적층실, 전자총, 이미터 조립체, 자석 조립체, 필라멘트, 음극 윈도우, 음극판, 양극 윈도우, 양극판, 연장판

Description

아크-프리 전자총{Arc-free electron gun}
본 발명은 아크-프리, 액체 냉각 전자총(E-gun)에 관한 것이다.
전자총은 다양하게, 특히 밀봉된 진공실 내부의 증기 증착법(vapor deposition process)에 사용된다. 이러한 전자총은 통상적으로는 전자 스트림(a stream of electrons)을 방출하는 전자 방출원(이미터; emitter), 상기 이미터를 작동하기 위한 고전압 리드, 증발 물질을 보유하기 위한 도가니(crucible), 및 상기 전자 스트림을 이미터로부터 상기 증발 물질의 표면 상으로 향하게 하는(direct) 자기장을 형성하기 위한 자석을 포함한다. 입사 전자 스트림은 상기 진공실을 가스 연무(gaseous cloud)로 충전시키기 위해 상기 물질을 증발시키며, 상기 가스 연무는 상기 진공실에 위치한 기판 상에 증착된다. 미국특허 제 3,710,072호 및 제 5,111,022호는 종래의 다양한 전자총에 대하여 공개하고 있다.
이와 같은 전자총이 갖는 한 가지 문제점은,특히 밀봉된 진공실의 내압이 증가함에 따라, 작동중 발생하는 아크 방전(arcing)에 있다. 특히, 상기 도가니에 있는 물질이 증발됨에 따라, 그의 일부가 양이온(positive ion) 플러스 일부 가스로 분해된다. 이와 같은 양이온들은 자기장 안으로 소정의 운동 에너지로 방출되고, 이 운동에너지가 상기 이온들을 전자 스트림에 의해 얻어진 유사로(similar path)를 따라 상기 이미터를 향해 뒤로 안내한다. 상기 이온들 중 일부는 이미터로 유입되어 상기 이미터를 손상시킨다.
상기 진공실에 있는 양이온에 의해 발생되는 다른 문제점은, 상기 진공실 벽으로부터 전자총으로 연장되는 고전압 리드를 포함한다는 점이다. 상기 리드는 통상적으로는 고전압의 나도체(bare conductor)이다. 상기 도체들 사이의 진공실에서 부동하는(floating) 양이온들은 도체와 접지 사이에 아크 방전을 발생시킬 수 있다. 상기 도체 상의 최소화된 첨예 코너(minimizing sharp corner)로는 그와 같은 아크 방전 문제점을 완전히 해결할 수 없다. 또한, 대부분의 절연 물질들은 증발 증착하는 동안 존재하는 높은 진공실 온도에 저항할 수 없기 때문에, 상기 리드들을 전기적으로 절연시키기가 매우 어렵게 된다.
한가지 해결책으로서 (Hanks에게 허여된) 미국특허 제 5,216,690호가 제안되었으며, 여기서는 고전압의 모든 면들을 둘러싸는 실드(shield)가 추가되었다. 상기 실드는 접지되며, 예상되는 가장 높은 압력 하에서 전자의 평균 자유 행정 이하의 거리만큼 HV 표면으로부터 이격된다. 비록 KV 캐소드(cathode) 표면으로부터 인접한 접지로 신속하게 가속화 될지라도, 전이되는 전자들은 전체 거리에 걸쳐 최소의 이온 충돌 가능성을 갖는다. 상기 전자들은 단순히 최소 에너지량으로 접지되도록 전이된다. 이것은 아크-다운 및 글로 방전을 억제한다. 그러나, 이와 같은 타입의 전자총의 결점은 강성 접지 차폐된 고전압 리드들은 장치의 설치를 극히 어렵게 만든다는 점에 있다.
증기 증착법을 위한 아크-프리 전자총에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 개량된 정전 필드(electrostatic field), 개량된 자기장, 및/또는 고전압 리드 상의 가요성 절연을 갖는 전자총을 제공함으로써 상술된 문제점들을 해결한다.
본 발명에 따른 전자총은 이미터 조립체와 자석 조립체를 포함한다. 상기 이미터 조립체는 가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트, 상기 필라멘트에 인접하여 배열되며 상기 필라멘트에 정렬되는 음극 윈도우를 형성하는 음극판과, 상기 음극판에 인접하여 배열되고 상기 음극 윈도우에 정렬되는 양극 윈도우를 형성하는 양극판을 갖는다. 상기 음극판과 양극판은 상기 음극 윈도우와 양극 윈도우를 통해 횡단하는 전자 스트림 안으로 상기 방출된 전자들을 향하게 하는 정전 필드를 형성하기 위한 전압원(voltage source)에 연결될 수 있다. 상기 자석 조립체는 도가니(crucible), 및 상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 포함한다. 상기 양극 윈도우, 음극 윈도우 및 필라멘트는 전자 스트림의 발산(divergence)을 최소화 하는 정전 렌즈(electrostatic lens)를 형성하기 위해 서로 정렬된다.
본 발명의 다른 양상에 있어서, 상기 전자총은 그 안의 물질을 증발시키기 위한 진공 증착실에 장착될 수 있으며, 상기 이미터 조립체와 자석 조립체를 포함한다. 상기 이미터 조립체는 가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트, 상기 필라멘트에 인접하여 배열되며 상기 필라멘트에 정렬되는 음극 윈도우를 형성하는 음극판과, 상기 음극판에 인접하여 배열되고 상기 음극 윈도우에 정렬되는 양극 윈도우를 형성하는 양극판을 갖는다. 상기 음극판과 양극판은 상기 전압원에 연결될 수 있으며, 서로에 대해 정렬되고, 상기 필라멘트는 음극 윈도우와 양극 윈도우를 통해 횡단하는 최소 발산을 갖는 전자 스트림 안으로 상기 방출된 전자들을 집중시키는 렌즈로서 작용하는 정전 필드를 형성하기 위해 구비된다. 상기 자석 조립체는 도가니, 상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 한쌍의 자극을 갖는 자석, 상기 자석의 자극들 중 각각 다른 하나로부터 연장하는 한 쌍의 연장판, 및 상기 연장판으로부터 상기 전자 스트림의 통로를 향해 연장하는 복수의 연장 부재를 포함한다. 상기 자석, 한 쌍의 연장판, 및 복수의 연장 부재는 상기 전자 스트림이 최소 발산을 갖는 도가니로 안내되도록 전자 스트림 통로를 따라 균일한 필드를 제공한다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 상기 전자총은 이미터 조립체, 자석 조립체, 및 이온 포획판(ion trap plate)을 포함한다. 상기 이미터 조립체는 가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트, 상기 필라멘트에 인접하여 배열된 음극판과, 상기 음극판에 인접하여 배열된 양극판을 갖는다. 상기 음극판과 양극판은 상기 방출된 전자들을 전자 스트림 안으로 향하게 하는 정전 필드를 형성하기 위한 전압원에 연결될 수 있다. 상기 자석 조립체는 도가니, 및 상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 포함한다. 상기 이온 포획판은 상기 전압원에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 양극판은 그 안에 형성된 양극 윈도우를 포함하며, 상기 양극 윈도우는 작동중 양이온을 흡인하는(attract) 이온 포획판에 정렬된다.
본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 상기 전자총은 이미터 조립체, 자석 조립체, 한 쌍의 절연 와이어, 및 냉각 유체 자켓(cooling fluid jacket)을 포함한다. 상기 이미터 조립체는 가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트, 상기 필라멘트에 인접하여 배열된 음극판과, 상기 음극판에 인접하여 배열된 양극판을 갖는다. 상기 음극판과 양극판은 상기 방출된 전자들을 전자 스트림 안으로 향하게 하는 정전 필드를 형성하기 위한 전압원에 연결될 수 있다. 상기 자석 조립체는 도가니, 및 상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 포함한다. 상기 한 쌍의 절연 와이어는 전류를 흐르게 하고 상기 필라멘트를 가열하기 위해 상기 필라멘트에 전기적으로 연결된다. 상기 냉각 유체 자켓 부재는 상기 와이어 중 하나의 적어도 일부가 통과하는 제 1 채널과 냉각 유체가 유동하는 제 2 채널을 형성한다.
본 발명에 따른 기타의 목적 및 특징들은 상세한 설명, 청구항, 및 첨부 도면을 참고하여 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전자총의 부분 분해 조립도.
도 2a는 본 발명에 따른 이미터 조립체 및 이미터 블록(emitter block)에 대한 부분 분해 조립도.
도 2b는 본 발명에 따른 이미터 조립체의 분해 조립도.
도 2c는 본 발명에 따른 절연체 조립체들의 측단면도.
도 3a는 본 발명에 따른 자석 조립체의 평면도.
도 3b는 정위치에 커버판을 갖는 자석 조립체의 평면도.
도 3c는 본 발명에 따른 어댑터 블록의 분해 조립도.
도 4a는 본 발명에 따른 고전압 리드 조립체의 평면도.
도 4b는 본 발명에 따른 고전압 리드 조립체의 측단면도.
도 5는본 발명에 따른 이미터 조립체와 도가니의 부분 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 이미터 조립체의 부분 측단면도.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예의 이미터 조립체의 부준 측단면도.
도 8a는 본 발명에 따른 다른 제 2 실시예의 분해 조립도.
도 8b는 본 발명에 따른 다른 제 2 실시예의 이미터 조립체의 부분 측단면도.
본 발명은 개량된 정전 필드, 개량된 자기장, 및 고전압 리드 상에 개량된 절연을 제공함으로써, 아크 방전을 방지하는 증기 증착법을 위한 아크-프리 전자총(E-gun)에 관한 것이다.
본 발명에 따른 아크-프리 전자총은 도 1 및 도 3a에 도시되어 있으며, 전자 이미터 조립체(10), 자석 조립체(12), 및 고압력 리드 조립체(14)를 포함한다.
상기 전자 이미터 조립체(10)에 대하여는 도 2a 및 도 2b에 더욱 자세히 도시되어 있으며, 음극 윈도우(22)를 구비한 성형 음극판(20)을 포함한다. 상기 음극판(20)은 상기 음극 윈도우(22)에 인접하여 위치한 필라멘트(24) 둘레를 둘러싸 고 밀봉부를 형성한다. 상기 음극판(20)은 음극 조립체(26)에 장착된다. 양극 윈도우(30)를 구비한 양극판(28)은 이미터 블록(50)에 장착된다. 상기 음극 윈도우(22), 양극 윈도우(30), 및 필라멘트(24)의 서로에 대한 상대적인 배열에 대하여는 도 6을 참고로 하여 다음에 설명된다.
상기 음극 조립체(26)는 전기 절연체 조립체(31)과 장착판(35)에 의해 상기 이미터 블록(50)에 장착된다. 도 2c에 보다 잘 도시되어 있는 바와 같이, 상기 절연체 조립체(31)는 그것이 부착된 이미터 조립체(50)로부터 상기 음극 조립체(26)를 전기적으로 절연한다. 절연체 조립체(31)는 외부 컵 형상으로 성형된 HV 실드(32), 및 내부 컵 형상으로 성형된 HV 실드(33)를 포함하며, 상기 HV 실드들(32,33)은 전기 절연 부재(34)에 의해 오버래핑 방식(overlapping fashion)으로 함께 연결된다. 상기 컵 형상으로 성형된 HV 실드(32)의 개방 단부는 상기 절연체 부재(34)와 내부 컵 형상으로 성형된 실드(33)의 개방 단부로 오버랩된다.
상기 음극 조립체(26)는 도 2b에 도시된 바와 같이 에어갭 또는 절연 부재(40)에 의해 분리되는 2개의 음극 블록(36,38)을 포함한다. 상기 필라멘트(24)는 필라멘트 장착판(42/43)에 의해 음극 블록들(36/38) 사이에 장착된다. 상기 음극판(20)은 나사(37)에 의해 음극 블록(36)에 장착 및 전기적으로 접속된다. 그러나, 음극판(20)은 상기 음극 블록(38)의 상부에 부착된 절연체 부재(44)에 의해 음극 블록(38)으로부터 전기적으로 절연된다. 한 쌍의 음극 리드(46,48)는 각각 상기 음극 블록(36,38)에 부착된다.
상기 이미터 조립체(10)는 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 이미터 블록(50)과 자석 지지 부재(52)를 포함하는 자석 조립체(12)에 장착된다. 나사(49)는 상기 장착판(35)과 양극판(28)을 이미터 블록(50)에 전기적으로 연결한다. 상기 이미터 블록(50)은 상기 이미터 조립체(10)를 하우징하기 위한 이미터 리세스(54)와 상기 음극 리드(46/48)가 연장하는 도가니 리세스(56)를 포함한다. 상기 자석 지지 부재(52)는 한 단부에서 그들 사이로 연장하는 자석(62)과 함께 한 쌍의 대향 자석 연장판(60)을 지지하며, 상기 이미터 조립체(10)와 이미터 블록(50)은, 상기 이미터 조립체(10)와 이미터 블록(50) 둘레에 자기장(M)을 형성하도록, 대향 단부 근방에서 그들 사이에 배열된다(도 5 참조). 한 쌍의 자극편(64)은 연장판(60)에 부착되고, 이미터 블록(50)을 향해 연장한다. 또한, 한 쌍의 보조 자극편(auxiliary pole piece)(66)은 연장판(60)에 부착되고, 양극판(28)을 향해 연장한다. 상기 자극편(64)과 보조 자극편(66)은 이미터 조립체(12) 및 이하에 더욱 상세히 설명될 과다 전자 스트림 감금(superior electron confinement)을 위한 도가니(58) 둘레에 자기장(M)을 형성하도록 작용한다. 상기 자석 조립체(12) 위의 커버판(67)과 이미터 조립체(10) 위의 다른 커버판(68)은 양이온 및 도 3b에 도시된 바와 같이 진공실에서 부동하는(floating) 다른 물질로부터 전자총을 보호한다. 구멍(69)은 전자 스트림(100)이 유동하는 커버판(68)에 형성된다. 상기 리세스(56)내에 또는 그 위에 도가니(58)가 배치된다.
상기 고전압 리드 조립체(14)에 대하여는 도 4a 및 도 4b에 가장 잘 도시되어 있으며, 장착 블록(72)에 연결된 수로(water line)(70)를 포함하며, (적합하게는 스테인레스강으로 제조된) 내측 및 외측 벨로우즈(bellows)(74,76)에 연결되며, 절연체 블록(78)에 차례로 연결된다. 상기 장착 블록(72)은 본 발명의 전자총을 지지하기 위해 증기 증착실의 측벽(80)에 있는 구멍을 통해 장착된다. 상기 장착 블록(72), 내측 벨로우즈(74) 및 절연체 블록(78)은 한 쌍의 절연된 와이어(84/85)가 상기 증착실 외부로부터 상기 절연체 블록(78)으로 통과하는 한 쌍의 와이어 채널(82)을 형성한다. 상기 절연체 블록(78)으로부터, 상기 와이어들(84/85)은 (전기적으로 비전도성 물질로 제조된) 절연체 포스트(86)를 통해 상향으로 통과하며, 각각 고전압 리드(88/89)에서 종결된다. 수로(70), 장착 블록(72), 내측/외측 벨로우즈(74/76) 및 절연체 블록(78)은 수로(90)를 형성하며, 여기서 냉각수는 수로들(70) 중 하나를 통해 유입되며, 상기 절연체 블록(78)을 통해 한 쌍의 내측/외측 벨로우즈(74/76) 사이에서 장착 블록(70) 중 하나를 관통하고, 다른 쌍의 내측/외측 벨로우즈(74/76), 장착 블록(72) 및 수로(70)를 통해 배출된다.
상기 이미터 블록(50)은 장착판(92)을 갖는 절연체 블록(78)의 상부에 장착된다(도 1 참조). 한 쌍의 어댑터 블록(94/95)은 고전압 리드(88/89)와 개별 음극 리드(46/48) 사이에 연결된다. 특히, 어댑터 블록(94/95)은 도 3c에 도시되어 있으며, 상기 고전압 리드(88/89) 중 하나에 클램프 결합되는 클램프 부재(96)와, 상기 음극 리드(46/48) 중 하나를 수용하기 위한 음극 리드 소켓(97)을 포함한다. 상기 어댑터 블록(94/95)과 그 안에 결합된 음극 리드(46/48) 사이에 더욱 양호한 전기 접촉을 형성하기 위해, 환상 골드 스프링(annular gold spring)(98)이 상기 소켓(97)에 사용될 수 있다. 음극 리드(46/48)는 상기 이미터 조립체(10)가 전체 보수 관리{예를 들면, 필라멘트(24)의 대체}에 있어서 용이하게 제거될 수 있도록 소켓(97) 안으로 이동 가능하게 매설된다.
상기 증기 증착실의 측벽(80)이 시스템 대지 전위 하에 있다고 가정하면, 상 기 측벽은 또한 장착 블록(72), 벨로우즈(74/76), 절연체 블록(78), 장착판(92), 이미터 블록(50), 및 양극판(28) 하에 있게 되며, 그들 모두는 전도성 물질로 제조되며, 함께 전기적으로 접속된다. 전압이 와이어(84) 상에 제공된다고 가정하면, 동일한 전압이 리드(88), 어댑터 블록(94), 음극 리드(46), 음극 블록(36), 음극판(20), 및 필라멘트 장착판(42) 상에 제공되며, 그들 모두는 전기적으로 전도성을 가지며 함께 접속된다. 다른 전압이 와이어(85) 상에 제공된다고 가정하면, 동일한 전압이 리드(89), 어댑터 블록(95), 음극 리드(48), 음극 블록(38), 및 필라멘트 장착판(43) 상에 제공되며, 그들 모두는 전기적으로 전도성을 가지며 함께 접속된다.
작동하는 동안, 냉각수는 수로(90)를 통해 순환한다. 유동하는 냉각수는, 실내가 종래 기술에 있어서는 고온 취약 요소들을 파괴하는 온도에 도달할 때 조차도, 다양한 전자총 요소들의 온도를 안전한 온도로서 유지할 수 있다. 예를 들면, 상기 유동하는 냉각수는 고온에 의해 손상되는 것으로부터 상기 와이어(84/85) 둘레의 절연을 유지한다. 상기 절연으로 인해, 2개의 와이어(84/85)와 접지 사이의 아크 방전이 방지된다. 상기 냉각수는 또한 절연체 블록(78)과 고전압 리드(88/89)가 고온의 실내 온도 하에서 용해되는 것으로부터 유지시킨다.
상기 도가니(58)에 있는 물질을 증발시키기 위한 전자 스트림을 생성하기 위해, 전압(V1)이 0-7 VAC iso-변압기의 2차 권선에 의해 와이어(84.85) 상에 인가된다. 그에 따라, 상기 필라멘트를 음성 DC 전위(V1)로 유지하는 동안, 교류는 필라멘트를 통해 상승 및 강하된다. 상기 필라멘트(24)를 통해 유동하는 교류는 필라멘트 온도를 상승시키고, 전자들을 필라멘트 표면으로부터 모든 방향으로 분산시킨다.
정전 필드(F)는 {전압(V1) 하에 있는} 음극판(20)과 (시스템 대지 전위 하에 있는) 양극판(28)에 의해 생성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전압(V1)은 전자들이 음극 윈도우(22)를 통해 한정된 전자 스트림(100) 안으로 필라멘트(24)에 의해 방출되는 것을 저지하기 위해 상기 시스템 대지 전위 아래에 놓인다. 상기 전자 스트림(100)에 있어서의 전자들은 상기 전자 스트림(100)이 양극 윈도우(30)를 관통할 때 까지 정전 필드(F)에 의해 가속된다.
상기 자석 조립체(12)와 이미터 조립체(10)에 의해 생성된 자기장(M)은 이동하는 전자 스트림(100) 상의 힘을 운동 방향과 반대 수직 방향으로 유도하며, 따라서, 상기 전자들이 도가니(58)에 있는 증발 물질에 충돌될 때 까지, 상기 전자 스트림(100)은 원형로에서 이동된다. 상기 도가니(58) 상으로 입사하는 전자 스트림(100)은 그 안의 물질(102)을 증발시키고 상기 진공실에 가스 연무를 형성한다.
음글판(20)과 양극판(28)의 상대적 정렬에 대하여는 도 6에 도시되어 있다. 음극 및 양극판(20/28)은 필라멘트(24) 근방에 정전 필드(F)를 생성하기 위해 서로로부터 이격된다. 음극 윈도우(22)와 양극 윈도우(30)는 필라멘트(24)에 의해 방출된 전자들을 위해 전자 스트림(100)을 형성하는 정전 렌즈를 형성하도록 필라멘트(24)에 대해 서로 정렬된다. 필라멘트(24)에 의해 방출된 전자들은 음극판(20)과 음극 블록(36/38)에 의해 포획된다. 음극 윈도우(22)는 오직 상기 포획된 전자들만을 위한 출구이며, 상기 전자들을 위한 더욱 한정된 유선로를 형성한다.
상기 윈도우(22/30)는 이온들이 그 안을 관통하고 필라멘트에 손상을 주는 것으로부터 방지할 수 있도록 작게 될 필요가 있우나, 너무 작아서 상기 전자 스트림(100)에 있는 전자들을 지체시켜서도 않된다. 따라서, 상기 윈도우(22/30)의 크기는 상기 전자 스트림(100)을 자유롭게 통과할 수 있도록 필라멘트(28)보다 약간만 크게 되어야 한다. 또한, 양극 윈도우(30)의 상부 에지(104)는 음극판(20)과 양극판(28) 사이의 전자 궤적으로서 자기장(M)에 의해 발생된 전자들의 수직 전이를 고려하여 미리 결정된 양만큼 음극 윈도우(22)의 상부 에지(106)보다 높게 된다. 윈도우 에지들(104/106) 사이의 오프셋 없이도, 상기 양극판 윈도우(30)의 상부 에지(104)는 분산된 전자 스트림(100)과 연소된 양극판(18)으로 인해 상기 전자 스트림(100)의 일부를 차단한다.
상술된 전자총의 아크 방전은 훨씬 높은 압력 하에서 상기 전자총의 아크-프리 작동을 허용하는 방식으로 방지된다. 먼저, 상기 음극/양극 윈도우(22/30)의 렌즈 효과는 상기 양극 윈도우(30)를 빠져나가는 집중된 전자 스트림(100)을 형성한다. 두번째로, 보조 자극편(66)과 자극편(64)은 전자 스트림 통로를 따라 위치하며, 따라서, 그의 어떠한 일탈도 최소화 하기 위하여 상기 전자 스트림(100)의 폭을 따라 집중된 균일 자기장을 제공한다. 정전 필드(F)의 렌즈 효과에 의해 생성되고 성형된 자기장(M)에 의해 안내되는, 집중된 전자 스트림(100)은 도가니에 충돌함에 따라 집중 발자취를 갖는 평행하게 밀봉된 원형 유선에 지속된다. 세번째로, 그 안에 형성된 윈도우(22,30)를 갖는 음극 및 양극판(20/28)은, 증발된 물질로부터 방출되고 자기장(M)에 의해 전자 이미터(10)의 뒤로 지시되는 양이온이 상기 필라멘트(24)와 음극판(20)에 이르러 그를 손상시키는 것으로부터 방지한다. 상기 양이온은 전자들 보다 훨씬 큰 질량을 가지므로, 상기 자기장(M)의 영향 하의 곡률 반경은 전자 스트림(100)의 반경보다 크게 될 것이며, 대부분의 이온들은 양극 윈도우(30) 아래의 양극판(28)에 충돌하게 된다. 네번째로, 장착판(35)과 그에 인접하여 장착된 양극판(28)을 따라 시스템 대지 전위를 지속하는 외부 컵형 HV 실드(32)는 절연체 부재(34)와 내부 컵형 HV 실드(33)를 차폐하며, 상기 양이온들로부터 다량의 음전위로 보유된다. 따라서, 인입 양이온에 노출된 요소들{양극판(28), 장착판(35), HV 실드(32) 및 이미터 블록(50)}은 모두 (시스템 대지 보다 크게 아래에 위치하는 대신에)의시스템 대지에 위치된다. 다섯째로, 커버판(67,68)은 액세스 이미터 조립체(10)로부터 양이온 및 기타 오염 물질을 방지하기 위해 상기 자석 조립체 위에 위치한다. 여섯째로, 와이어들(84/85) 사이의 아크 방전은 와이어들(84/85) 둘레의 절연층에 의해 방지되며, 그의 사용은 수로(90)를 통해 유동하는 냉각 유체에 의해 가능해진다. 그렇지 않을 경우, 상기 절연은 실내의 극도의 온도로 인해 손상을 입거나 고장난다. 일곱째로, 고전압은 음극 블록(36)과 필라멘트(24) 이외의 진공실에 노출되지 않은 와이어(84/85)를 형성하며, 음극판(20)에 의해 둘러싸이고 보호된다. 접지된 수냉 벨로우즈에 의해 고전압 와이어를 둘러쌈으로써, 이온이 노출된 고전압 와이어 상에 수집되는 것을 방지한다.
본 발명에 따른 아크-프리 전자총의 음극 윈도우(22)는, 필라멘트(24)의 높이(0.125 인치)와 길이(0.775 인치) 보다도, 0.04-0.06 인치 만큼 큰 높이와 0.08-0.1 인치 만큼 더 긴 길이를 갖는다. 상기 양극판(28)은 음극판(20)으로부터 약 0.100 +/- .0005 인치만큼 이격된다. 상기 양극 윈도우는 음극 윈도우(22)의 높이와 길이보다도, 0.085-0.095 인치만큼 큰 높이와, 0.020 인치만큼 더 긴 길이를 갖는다. 상기 양극 윈도우(30)의 상부 에지(104)는 전자 스트림(100)의 원형 궤적을 수용하기 위해 상기 음극 윈도우(22)의 상부 에지(106)보다 높게 된다. 작동하는 동안에, 상기 필라멘트를 통한 0-7 VAC의 교류는 상기 필라멘트 표면들로부터 전자를 차단시키기 위해 850-950℃로 필라멘트(24)를 상승시킨다. 상기 정전 필드는 약 4-10 KV를 갖는다. 상술된 아크-프리 전자총은 어떠한 아크 방전도 발생시키지 않는 종래의 전자총보다도 2배 이상 큰 압력으로 작동될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시하며, 양극 윈도우(30)로부터 떨어진 양극판(28) 상으로 입사되는 양이온을 흡인하기 위한 이온 포획부를 포함한다. 제 2 양극 윈도우(110)은 윈도우(30) 아래의 양극판(28)에 형성되거나, 음극판(20)의 대향 플랜지부(opposite flange portion)(112)에 직접 형성된다. 상기 음극판(20)의 플랜지부(112)는 제 2 윈도우(110)를 통해 양이온을 흡입하며, 따라서, 윈도우(30)를 통해 이동하며 필라멘트(24)를 손상시키는 이온의 수를 감소시킨다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서, 이온 포획판(118)은 장착판(120)에 부착되며, 상기 장착판은 차례로 절연체(122)에 의해 필라멘트 장착판(43)으로부터 절연되나 상기 필라멘트 장착판(42)에 전기적으로 접속된다. 상기 양극판(28)은 이온 포획판(118)이 {상기 양극 윈도우(10)에 인접하여 정렬되고, 그 안으로 돌출되거나, 또는 그를 통해 돌출하는(도 8b 참조)} 제 2 양극 윈도우(110)에 일직선 상으로 정렬되도록 장착된다. 상기 이온 포획판은 제 2 윈도우(110)를 통해 양이온을 흡인한다.
진공실에서 광학 박막을 제조하는 공정이 진행되는 동안, 정지 타게트 물질의 표면상의 큰 에너지로 이동하는 전자 및 중성 분자 및 그의 증발 증기 연무를 충돌시킴으로써 다량의 양이온들이 형성된다. 중성 원자들로 구성된 증기 연무가 상기 전자 스트림의 통로를 통해 증식됨에 따라, 다량의 중성 원자들이 전자와 충돌하여, 외부 셸로부터 전자들을 해제시키고, 양이온으로 충전된다. 상기 이온들은 즉시 상기 전자 스트림을 향해 사용된 자기장에 노출된다. 상기 이온들은 전자 스트림과 반대로 이동되며, 결국 전자빔 소스 필라멘트의 표면과 충돌하여 그의 표면 상에서 신속하게 부식되며, 따라서 그의 성능과 수명을 제한하게 된다.
도 7, 도 8a 및 도 8b에 도시된 제 2 양극 윈도우는 그와 같은 부식을 방지한다. 도 7에 도시된 음극판(20)의 음전하 플랜지부(112)나, 또는 도 8a 및 도 8b에 도시된 음전하 이온 포획판(118)은 그의 표면 상에 충돌하는 대부분의 양전하 이온을 흡인 및 중화시킨다. 도 7의 플랜지부(112) 대신에 도 8a 및 도 8b에 도시된 이온 포획판(118)을 사용하는 경우의 장점은 상기 이온 포획판이 인입 이온들에 대한 더욱 양호한 내성을 갖도록 제조된다는 점이다.
본 발명은 상술된 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서의 모든 변경을 포함한다. 예를 들면, 내측 및 외측 벨로우즈(74,76)는 개별 동심적 또는 비-동심적 와이어 채널(82) 및 수로(90)를 제공하는 강성 또는 비강성의 어떠한 형태의 수자켓 부재들로 될 수도 있다. 또한, 상기 전자총은 진공 적층실의 측벽에 부착되도록 설명하였으나, 본 발명에 따른 전자총은 상기 진공실 내부의 어떠한 위치에도 배열될 수 있다. 또한, 상술된 다양한 전압을 공급하는 전압원은 단일 전압원 장치일 수도 있고, 개별 전압원 장치가 될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 전자총으로서,
    상기 전자총은 이미터 조립체와 자석 조립체를 포함하며,
    상기 이미터 조립체는,
    가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트와;
    상기 필라멘트에 인접하여 배열되며 상기 필라멘트와 정렬되는 음극 윈도우를 형성하는 음극판; 및
    상기 음극판에 인접하여 배열되고 상기 음극 윈도우와 정렬되는 양극 윈도우를 형성하는 양극판을 구비하고,
    상기 음극판과 양극판은 상기 음극 윈도우와 양극 윈도우를 통해 횡단하는 전자 스트림 안으로 상기 방출된 전자들을 향하게 하는 정전 필드를 형성하기 위한 전압원에 연결될 수 있으며,
    상기 자석 조립체는,
    도가니(crucible); 및
    상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 구비하고,
    상기 양극 윈도우, 음극 윈도우 및 필라멘트는 전자 스트림의 발산을 최소화 하는 정전 렌즈(electrostatic lens)를 형성하기 위해 서로 정렬되는 전자총.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 음극 윈도우에 대한 양극 윈도우의 정렬은 양극 윈도우의 상부 에지가 음극 윈도우의 상부 에지보다 높게 오프셋(offset)되도록 형성되는 전자총.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 음극 윈도우는 필라멘트의 평행한 단면적보다 큰 면적을 가지며, 상기 양극 윈도우는 상기 음극 윈도우의 면적보다 큰 면적을 갖는 전자총.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전자 스트림의 통로를 따라 자기장을 형성하기 위하여 자석에 연결되는 복수의 부재들을 부가로 포함하는 전자총.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 자석은 한 쌍의 자극(pole)을 포함하며,
    상기 자석에 연결된 복수의 부재들은,
    상기 자석의 자극들 중 각각 다른 하나로부터 연장하는 한 쌍의 연장판; 및
    상기 전자 스트림의 통로를 따라 자기장의 균일성을 증가시키기 위해, 상기 연장판으로부터 상기 전자 스트림의 통로를 향해 연장되는 복수의 연장 부재를 포함하는 전자총.
  6. 제 1항에 있어서, 전류를 통과시키고 필라멘트를 가열하기 위해 상기 필라멘트에 전기 접속된 한 쌍의 절연 와이어; 및
    와이어들 중 하나의 적어도 일부가 관통하는 제 1 채널과, 냉각 유체가 유동하는 제 2 채널을 형성하는 냉각 유체 자켓 부재를 부가로 포함하는 전자총.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 냉각 유체 자켓 부재는,
    제 1 채널을 형성하는 제 1 벨로우즈; 및
    제 1 벨로우즈를 동심적으로 둘러싸는 제 2 벨로우즈를 포함하며,
    상기 제 2 채널은 제 1 벨로우즈와 제 2 벨로우즈 사이에 형성되는 전자총.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 양극판은 음극판에 직접 대향하도록 형성된 제 2 양극 윈도우를 포함하는 전자총.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 전압원에 전기적으로 접속될 수 있는 이온 포획판(ion trap plate)을 부가로 포함하며, 상기 양극판은 상기 이온 포획판에 정렬되게 형성되는 제 2 양극 윈도우를 포함하는 전자총.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 음극판은 상기 전자 스트림을 형성하기 위해 양극판과 비교하여 음성 전위(negative potential)를 갖는 필라멘트를 완전히 둘러싸도록 성형되는 전자총.
  11. 실내 물질을 증발시키기 위한 진공 적층실에 장착될 수 있는 전자총으로서,
    상기 전자총은 이미터 조립체와 자석 조립체를 포함하며,
    상기 이미터 조립체는,
    가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트와;
    상기 필라멘트에 인접하여 배열되며 상기 필라멘트와 정렬되는 음극 윈도우를 형성하는 음극판; 및
    상기 음극판에 인접하여 배열되고 상기 음극 윈도우와 정렬되는 양극 윈도우를 형성하는 양극판을 구비하고,
    상기 음극판과 양극판은 상기 전압원에 연결될 수 있으며, 서로에 대해 정렬되고, 상기 필라멘트는 음극 윈도우와 양극 윈도우를 통해 횡단하는 최소 발산(minimized divergence)을 갖는 전자 스트림 안으로 상기 방출된 전자들을 집중시키는 렌즈로서 작용하는 정전 필드를 형성하기 위해 구비되며,
    상기 자석 조립체는,
    도가니와;
    상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 한쌍의 자극을 갖는 자석과;
    상기 자석의 자극들 중 각각 다른 하나로부터 연장하는 한 쌍의 연장판, 및
    상기 연장판으로부터 상기 전자 스트림의 통로를 향해 연장하는 복수의 연장 부재를 구비하고,
    상기 자석, 한 쌍의 연장판, 및 복수의 연장 부재는 상기 전자 스트림이 최소 발산을 갖고 도가니로 안내되도록 전자 스트림 통로를 따라 균일한 필드를 제공하는 전자총.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 음극 윈도우에 대한 양극 윈도우의 정렬은 양극 윈도우의 상부 에지가 음극 윈도우의 상부 에지보다 높게 오프셋되도록 형성되는 전자총.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 음극 윈도우는 필라멘트의 평행한 단면적보다 큰 면적을 가지며, 상기 양극 윈도우는 상기 음극 윈도우의 면적보다 큰 면적을 갖는 전자총.
  14. 제 11항에 있어서, 전류를 통과시키고 필라멘트를 가열하기 위해 상기 필라멘트에 전기 접속된 한 쌍의 절연 와이어; 및
    와이어들 중 하나의 적어도 일부가 관통하는 제 1 채널과 냉각 유체가 유동하는 제 2 채널을 형성하는 냉각 유체 자켓 부재를 부가로 포함하는 전자총.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 냉각 유체 자켓 부재는,
    제 1 채널을 형성하는 제 1 벨로우즈; 및
    제 1 벨로우즈를 동심적으로 둘러싸는 제 2 벨로우즈를 포함하며,
    상기 제 2 채널은 제 1 벨로우즈와 제 2 벨로우즈 사이에 형성되는 전자총.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 양극판은 음극판에 직접 대향하도록 형성된 제 2 양극 윈도우를 포함하는 전자총.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 전압원에 전기적으로 접속될 수 있는 이온 포획판을 부가로 포함하며, 상기 양극판은 상기 이온 포획판에 정렬되는 양극 윈도우를 포함하는 전자총.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 음극판은 상기 전자 스트림을 형성하기 위해 양극판과 비교하여 음성 전위를 갖는 필라멘트를 완전히 둘러싸도록 성형되는 전자총.
  19. 전자총에 있어서,
    상기 전자총은 이미터 조립체와 자석 조립체 및, 이온 포획판을 포함하며,
    상기 이미터 조립체는,
    가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트와;
    상기 필라멘트에 인접하여 배열된 음극판; 및
    상기 음극판에 인접하여 배열된 양극판을 구비하며,
    상기 음극판과 양극판은 상기 방출된 전자들을 전자 스트림 안으로 향하게 하는 정전 필드를 형성하기 위한 전압원에 연결될 수 있으며,
    상기 자석 조립체는,
    도가니와;
    상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 포함하고,
    상기 이온 포획판은 전압원에 전기적으로 연결될 수 있으며,
    상기 양극판은 그 안에 형성되고 작동중 양이온을 흡인하는 이온 포획판에 정렬되는 양극 윈도우를 포함하는 전자총.
  20. 전자총으로서,
    상기 전자총은 이미터 조립체, 자석 조립체, 한 쌍의 절연 와이어 및, 냉각 유체 자켓 부재를 포함하며,
    상기 이미터 조립체는,
    가열될 때 전자를 방출하는 필라멘트와;
    상기 필라멘트에 인접하여 배열된 음극판; 및
    상기 음극판에 인접하여 배열된 양극판을 구비하며,
    상기 음극판과 양극판은 상기 방출된 전자들을 전자 스트림 안으로 향하도록 정전 필드를 형성하기 위한 전압원에 연결될 수 있으며,
    상기 자석 조립체는,
    도가니와;
    상기 도가니에 대한 통로를 따라 전자 스트림을 안내하기 위한 자기장을 발생시키는 자석을 포함하고;
    상기 한 쌍의 절연 와이어는 전류를 흐르게 하고 상기 필라멘트를 가열하기 위해 상기 필라멘트에 전기적으로 연결되며;
    상기 냉각 유체 자켓 부재는 상기 와이어 중 하나의 적어도 일부가 통과하는 제 1 채널과, 냉각 유체가 유동하는 제 2 채널을 형성하는 전자총.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 냉각 유체 자켓 부재는,
    제 1 채널을 형성하는 제 1 벨로우즈; 및
    제 1 벨로우즈를 동심적으로 둘러싸는 제 2 벨로우즈를 포함하며,
    상기 제 2 채널은 제 1 벨로우즈와 제 2 벨로우즈 사이에 형성되는 전자총.
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